特許 6983748 分子検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6983748

(24)【登録日】2021年11月26日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】分子検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 5/02 20060101AFI20211206BHJP

   G01N 27/00 20060101ALI20211206BHJP

   G01N 27/02 20060101ALI20211206BHJP

   G01N 29/036 20060101ALI20211206BHJP

【ＦＩ】

   G01N5/02 A

   G01N27/00 K

   G01N27/02 Z

   G01N29/036

【請求項の数】14

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2018-235513(P2018-235513)

(22)【出願日】2018年12月17日

(65)【公開番号】特開2020-98113(P2020-98113A)

(43)【公開日】2020年6月25日

【審査請求日】2020年8月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】真常 泰

(72)【発明者】

【氏名】李 永芳

(72)【発明者】

【氏名】宮本 浩久

(72)【発明者】

【氏名】中井 豊

(72)【発明者】

【氏名】吉村 玲子

【審査官】 野田 華代

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００６／００６５８７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１８／１３６５５６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１１７１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−１５６３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０３００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−２８１１７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ５／００−９／３６

Ｇ０１Ｎ ２７／００

Ｇ０１Ｎ ２７／０２

Ｇ０１Ｎ ２９／０３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の面と第２の面とを有する圧電体と、前記第１の面に電気的に接続された第１の電極と、前記第２の面に電気的に接続された第２の電極と、前記第２の面に電気的に接続されるとともに前記第２の電極と電気的に分離された第３の電極と、を有する振動子と、
前記第２の電極の少なくとも一部と前記第３の電極の少なくとも一部とを覆い、対象分子との相互作用により前記振動子の振動周波数を変化させる感応膜と、
変化した前記振動周波数を検出する検出電極と、
を備える検出素子を具備し、
前記第２の電極および前記第３の電極は、前記圧電体を駆動して前記振動子を振動させるための駆動電極としての機能を有する、分子検出装置。

【請求項2】

第１の面と第２の面とを有する圧電体と、前記第１の面に設けられた第１の電極と、前記第２の面に設けられた第２の電極と、前記第２の面に設けられるとともに前記第２の電極と離間する第３の電極と、を有する振動子と、
前記第２の電極の少なくとも一部と前記第３の電極の少なくとも一部とを覆い、対象分子との相互作用により前記振動子の振動周波数を変化させる感応膜と、
前記第２の面に設けられるとともに前記第２の電極および前記第３の電極と離間し、変化した前記振動周波数を検出する検出電極と、
を備える検出素子を具備し、
前記第２の電極および前記第３の電極は、前記圧電体を駆動して前記振動子を振動させるための駆動電極としての機能を有する、分子検出装置。

【請求項3】

前記第２の電極および前記第３の電極は、前記感応膜のインピーダンスを計測するための機能電極としての機能を有する、請求項１または請求項２に記載の分子検出装置。

【請求項4】

前記第２の電極および前記第３の電極は、互いに対向する櫛歯形状、および連続して屈曲する形状、の少なくとも一つの形状を有する、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の分子検出装置。

【請求項5】

前記検出素子は、前記第２の面に設けられるととともに前記第２の電極および前記第３の電極と離間する第４の電極をさらに備え、
前記第４の電極は、前記第２の面と前記感応膜との間で連続して屈曲する形状を有する、請求項１または請求項２に記載の分子検出装置。

【請求項6】

前記検出素子は、
前記第２の面に設けられるとともに前記第２の電極および前記第３の電極と離間する第４の電極と、
前記第２の面に設けられるとともに前記第２の電極ないし前記第４の電極と離間する第５の電極と、
をさらに備え、
前記第４の電極および前記第５の電極のそれぞれは、前記第２の面と前記感応膜との間で互いに対向する櫛歯形状および連続して屈曲する形状の少なくとも一つの形状を有する、請求項１または請求項２に記載の分子検出装置。

【請求項7】

前記第４の電極および前記第５の電極は、前記感応膜のインピーダンスを計測するための機能電極としての機能を有する、請求項６に記載の分子検出装置。

【請求項8】

前記第３の電極ないし前記第５の電極の少なくとも一つは、前記感応膜を加熱して前記感応膜に付着または吸着する分子を脱離させるヒータとしての機能を有する、請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載の分子検出装置。

【請求項9】

前記感応膜は、金属有機構造体を有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の分子検出装置。

【請求項10】

前記金属有機構造体は、配位不飽和な金属サイトを含む、請求項９に記載の分子検出装置。

【請求項11】

前記金属有機構造体は、ＨＫＵＳＴ−１を有する、請求項１０に記載の分子検出装置。

【請求項12】

前記振動子の振動周波数の計測を制御する周波数計測制御回路と、
前記感応膜のインピーダンスの計測を制御するインピーダンス計測制御回路と、
前記感応膜の加熱を制御する加熱制御回路と、
前記検出素子と前記インピーダンス計測制御回路との接続、前記検出素子と前記周波数計測制御回路との接続、および前記検出素子と前記加熱制御回路との接続、を切り替えるスイッチング回路と、
を備える制御部をさらに具備する、請求項１ないし請求項１１のいずれか一項に記載の分子検出装置。

【請求項13】

前記感応膜への分子の付着または吸着による前記振動周波数の変化を示すデータ、前記インピーダンスを示すデータ、および前記感応膜からの分子の脱離による前記振動周波数の変化を示すデータからなる群より選択される少なくとも一つのデータに基づいて、前記対象分子の種類および濃度からなる群より選択される少なくとも一つを検出する解析部をさらに具備する、請求項１２に記載の分子検出装置。

【請求項14】

複数の前記検出素子を具備し、
前記解析部は、前記複数の検出素子のそれぞれにおける、前記感応膜への分子の付着または吸着による前記振動周波数の変化を示すデータ、前記インピーダンスを示すデータ、および前記感応膜からの分子の脱離による前記振動周波数の変化を示すデータからなる群より選択される少なくとも一つのデータに基づいて、前記対象分子の種類および濃度からなる群より選択される少なくとも一つを検出する、請求項１３に記載の分子検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、分子検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

におい（ガス）センサによるセンシング技術は、空気中のにおいを数値化できることから、臭気判定や大気中の揮発性有機化合物（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ：ＶＯＣ）の計測、空気清浄器の性能確認、装置類のトラブル検知等に広く利用されている。

【0003】

近年では、これまで犬の嗅覚に頼っていた爆薬類の検知や麻薬・覚せい剤の検知への関心、また、呼気による特定の病気診断等への関心が高まっており、においセンサやガスセンサの高性能化が望まれている。

【0004】

従来のガスセンシング方法としては、水素炎イオン化検出器（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＦＩＤ）、光イオン化検出器（Ｐｈｏｔｏ−ｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＩＤ）、赤外線式ガス分析計（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａ−Ｒｅｄ：ＮＤＩＲ）等の機器が挙げられる。これらの装置は、携帯性、可燃ガスを用いる危険性、測定に用いる光源の寿命や価格、物質の認識性等に課題があった。そこで、処理装置への組み込みや作業現場での測定に有利な小型センサの開発が進められている。

【0005】

におい（ガス）センサに求められる性能としては、感度、選択性、簡便性、迅速性、信頼性、安定性等が挙げられる。小型センサの代表である半導体式ガスセンサは、多孔質酸化スズ（ＳｎＯ_２）に吸着した酸素が還元性物質で消費される際に発生する電気抵抗等の電気的性質変化を利用してガス濃度を測ることができるセンサが提案されている。しかしながら、従来用いられてきた酸化物半導体センサは、例えば検出感度および検出精度が低いというという問題点を有していた。検出精度としては、例えば検出ガスの種類の検出精度や濃度の検出精度等が挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】米国特許公開２０１８／０２０２９６１

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Ｃｈｒｉｓｔｏｓ Ｓａｐｓａｎｉｓ ｅｔ ａｌ．， Ｓｅｎｓｏｒｓ ２０１５， １５， １８１５３−１８１６６

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、対象分子の検出感度および検出精度を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態の分子検出装置は、第１の面と第２の面とを有する圧電体と、第１の面に電気的に接続された第１の電極と、第２の面に電気的に接続された第２の電極と、第２の面に電気的に接続されるとともに第２の電極と離間する第３の電極と、を有する振動子と、第２の電極の少なくとも一部と第３の電極の少なくとも一部とを覆い、対象分子との相互作用により振動子の振動周波数を変化させる感応膜と、変化した振動周波数を検出する検出電極と、を備える検出素子を具備する。第２の電極および第３の電極は、圧電体を駆動して振動子を振動させるための駆動電極としての機能を有する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】検出素子の構造例を示す上面図である。

【図2】図１の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

【図3】図１の線分Ｂ−Ｂ’における断面図である。

【図4】分子検出装置の構成例を示すブロック図である。

【図5】制御部の構成例を示すブロック図である。

【図6】検出素子の他の構造例を示す上面図である。

【図7】図６の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

【図8】検出素子の他の構造例を示す上面図である。

【図9】図８の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

【図10】電極３４４、電極３４５の構造例を示す図である。

【図11】検出素子の他の構造例を示す上面図である。

【図12】図１１の線分Ａ−Ａ’における断面図である。

【図13】電極３４１、電極３４２の構造例を示す図である。

【図14】対象分子の検出方法例を説明するためのフローチャートである。

【図15】検出方法の他の例を説明するためのフローチャートである。

【図16】周波数計測ステップＳ１−２における時間と振動周波数の変化量ΔＦとの関係を示す図である。

【図17】加熱ステップＳ１−４における時間と振動周波数の変化量ΔＦとの関係を示す図である。

【図18】検出方法の他の例を説明するためのフローチャートである。

【図19】検出方法の他の例を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、実施形態について、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、各部の厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。

【0012】

（第１の実施形態）
実施形態の分子検出装置に用いられる検出素子の構成例について説明する。図１は、検出素子３０の構造例を示す上面図であり、図２は、図１の線分Ａ−Ａ’における断面図であり、図３は図１の線分Ｂ−Ｂ’における断面図である。

【0013】

検出素子３０は、圧電体３２と電極３３と電極３４１と電極３４２とを有する振動子３５と、電極３６と、感応膜３７と、を備える。圧電体３２、電極３３、電極３４１、電極３４２、電極３６、および感応膜３７は、例えば基体３１に積層されている。検出素子３０は、例えば少なくとも１ヶ所が固定され、梁状であってもよい。

【0014】

基体３１は、例えばシリコン、ガラス、樹脂等を用いて形成される。基体３１は、検出素子３０を支持する支持体としての機能を有する。

【0015】

圧電体３２は、面３２ａと、面３２ａの反対側の面３２ｂと、を有する。圧電体３２は、所定の電圧が印加されることにより変形する。よって、例えば交流電圧を印加して圧電体３２を伸縮させることにより検出素子３０を振動させることができる。圧電体３２は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛固溶体（ＰＺＮ−ＰＴ）、マンガン酸ニオブ酸鉛−チタン酸ジルコン酸鉛固溶体（ＰＭｎＮ−ＰＺＴ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）等を用いて形成される。

【0016】

電極３３は、例えば面３２ａに電気的に接続される。電極３３は、例えば面３２ａに接して設けられる。電極３３は、圧電体３２を駆動して振動子３５を振動させるための駆動電極としての機能を有する。電極３３としては、例えばＰｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ等の金属材料を用いて形成される。

【0017】

電極３４１は、面３２ｂに電気的に接続される。電極３４１は、例えば面３２ｂに接して設けられる。電極３４１は、圧電体３２を駆動して振動子３５を振動させるための駆動電極としての機能を有する。電極３４１は、感応膜３７のインピーダンスを計測するための機能電極としての機能を有していてもよい。さらに、電極３４１は、感応膜３７を加熱するためのヒータとしての機能を有していてもよい。

【0018】

電極３４２は、面３２ｂに電気的に接続される。電極３４２は、例えば面３２ｂに接して設けられるとともに電極３４１と離間する。電極３４２は、例えば電極３４１と電気的に分離される。電極３４２は、圧電体３２を駆動して振動子３５を振動させるための駆動電極としての機能を有する。電極３４２は、感応膜３７のインピーダンスを計測するための機能電極としての機能を有していてもよい。電極３４２は、感応膜３７を加熱して感応膜３７に付着または吸着する分子を脱離させるためのヒータとしての機能を有していてもよい。

【0019】

電極３６は、変化した振動周波数を検出する検出電極としての機能を有する。電極３６は、面３２ａまたは面３２ｂに電気的に接続される。電極３６は、例えば面３２ｂに接して設けられるとともに電極３４１および電極３４２と離間する。電極３６は、電極３４１および電極３４２と電気的に分離される。これに限定されず、電極３６は、面３２ａに接して設けられるとともに電極３３と離間していてもよい。このとき、電極３６は、電極３３と電気的に分離される。

【0020】

電極３４１、電極３４２、および電極３６は、例えばＰｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ等の金属材料を用いて形成される。なお、同一の導電膜をパターニングすることにより電極３４１、電極３４２、および電極３６を同時に形成してもよい。

【0021】

感応膜３７は、電極３４１の少なくとも一部と電極３４２の少なくとも一部とを覆う。感応膜３７は、電極３４１の側面の少なくとも一部、電極３４２の側面の少なくとも一部、および面３２ｂにおける電極３４１と電極３４２との間の領域に接して設けられていてもよい。

【0022】

感応膜３７は、対象分子との相互作用により振動子３５の振動周波数を変化させる。感応膜３７は、例えば質量を有する対象分子が付着または吸着することにより振動子３５の振動周波数を変化させる。感応膜３７は、露出面を有し、露出面は電極３４１および電極３４２に接していない。これにより、感応膜３７上に電極３４１および電極３４２を形成する場合よりも対象分子と相互作用可能な領域の体積を増やすことができる。

【0023】

感応膜３７は、例えばポリマーや生体膜等の有機材料、金属酸化物等の無機微粒子、金属ナノ粒子、活性炭、ゼオライト、有機金属錯体、金属有機構造体（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ：ＭＯＦ）等、特定の分子を選択的に付着・吸着しやすい材料を用いて形成される。

【0024】

ＭＯＦは、金属と有機配位子が配位ネットワークを形成することにより、活性炭やゼオライトの表面積をはるかに超える大きな表面積を有する三次元ミクロポーラス材料であり、ガス吸着や分離技術、センサや触媒などへの応用が期待されている。ＭＯＦは、対象分子の数がごくわずかである場合でも、対象分子を取り込み、濃縮できる。よって、ＭＯＦを感応膜３７に用いることにより対象分子の検出感度を向上させることができる。また、ＭＯＦは金属種や有機配位子の種類、サイズを容易にカスタマイズできるため、対象分子に対する選択性を付与することができ、対象分子の検出精度を向上させることができる。

【0025】

対象分子が常温常圧で気体である分子の場合、ＭＯＦは、配位不飽和な金属サイトを有することが好ましい。配位不飽和とは、金属イオンがその配位状態に少なくとも一つの空きサイトを有する状態であり、このようなサイトにガス分子が強く相互作用する。このような配位不飽和サイトを金属ノードとして有するＭＯＦの例としては、ＨＫＵＳＴ−１、ＭＩＬ−１００（Ｃｒ，Ｆｅ）、ＭＩＬ−１０１（Ｃｒ，Ｆｅ）、ＵＩＯ−６６、ＵＩＯ−６７、ＣＰＯ−２７（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｇ，Ｎｉ）等が挙げられる。金属ノードは、他の分子と相互作用可能な金属サイトである。

【0026】

ＭＯＦの骨格である金属ノードとは別に、有機配位子自体が配位不飽和な金属サイトを有する場合、ＭＯＦの骨格である金属ノードは必ずしも配位不飽和である必要はない。例えば架橋性配位化合物を用いたＭＯＦ等が挙げられる。このような有機配位子の例として、ビピリジン誘導体が挙げられる。例えば、２，２’−ビピリジン−５，５’−ジカルボン酸（ｈ_２ｂｐｙｄｃ）とＡｌＣｌ_３・６Ｈ_２Ｏから得られるＡｌ（ＯＨ）（ｂｐｙｄｃ）（ＭＯＦ−２５３）は、ＰｄＣｌ_２やＣｕＢＦ_４との反応で、ＰｄあるいはＣｕがビピリジンに配位し、不飽和で活性な金属サイトを持つＭＯＦとなる。

【0027】

次に、分子検出装置の構成例について説明する。図４は、実施形態の分子検出装置の構成例を示すブロック図である。図４に示す分子検出装置は、捕集部２と、検出部３と、排出部４と、制御部５と、解析部６と、を具備する。

【0028】

捕集部２は、対象分子１１ａを含む流体１を捕集する。流体１は、液体または気体である。捕集部２は、流体１の捕集口を有し、流路を介してポンプに接続されている。捕集部２は、ポンプを駆動させることにより捕集口から流体１を捕集して検出部３に送る。捕集部２は、流体１中に含まれる微粒子等の不純物を除去するフィルタを備えていてもよい。なお、ポンプの代わりにバルブを設け、バルブの開閉により流体１の導入の開始および停止を制御してもよい。

【0029】

流体１は、対象分子１１ａの分子量に類似する分子量や分子構造に類似する分子構造等を有する物質を不純物として含んでいる場合がある。また、空気中に漂う対象分子１１ａは、におい成分や微粒子等の様々な夾雑物１１ｂや水分１１ｃと混ざった状態で存在することが多い。このような点から、流体１は、予めフィルタ装置等で前処理した後に、分子検出装置に送ってもよい。対象分子１１ａとしては、水分、揮発性有機化合物（ベンゼン、トルエン、キシレン、ヘキサン、ペンタン、メタノール、エタノール、アセトン、酢酸エチル、クロロホルム、ジクロロメタン、フロン類、ホルムアルデヒド、フルフラール等）、カビ臭の原因となるゲオスミンや２−メチルイソボルネオール、その他、キセノン、クリプトンなどの希ガス類、水素、酸素、窒素、窒素酸化物、硫化水素、アンモニア、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレン等、常温常圧で気体状の物質、２，４，６−トリニトロトルエン、ジニトロトルエン等の火薬、爆薬類、メタンフェタミン、アンフェタミン等の不正薬物が挙げられる。

【0030】

捕集部２で捕集された流体１は、流路中の検出部３に送られる。検出部３は、流路中に配置される。検出部３は、検出素子３０を備える。なお、検出部３は、複数の検出素子３０を備えていてもよい。複数の検出素子３０は、互いに異なる感応膜３７を備えることが好ましい。これにより、検出するためのデータの種類を増やすことができるため、対象分子１１ａの検出精度を向上させることができる。

【0031】

排出部４は、検出部３から流体１を排出する機能を有する。排出部４は、流体１の排出口を有し、流路を介してポンプに接続されている。排出部４は、ポンプを駆動させることにより検出部３の流体１を吸引して排出口から流体１を排出する。

【0032】

制御部５は、例えば電極３３、電極３４１、電極３４２、および電極３６に電気的に接続される。図５は制御部５の構成例を示すブロック図である。図５に示す制御部５は、振動子３５の振動周波数の計測を制御する周波数計測制御回路５１と、感応膜３７のインピーダンスの計測を制御するインピーダンス計測制御回路５２と、感応膜３７の加熱を制御する加熱制御回路５３と、検出素子３０と周波数計測制御回路５１との接続、検出素子３０とインピーダンス計測制御回路５２との接続、および検出素子３０と加熱制御回路５３との接続を切り替えるスイッチング回路５４と、を備える。周波数計測制御回路５１、インピーダンス計測制御回路５２、加熱制御回路５３、およびスイッチング回路５４のそれぞれは、例えばプロセッサ等からの制御信号により制御される。

【0033】

周波数計測制御回路５１は、電極３３と電極３４１および電極３４２との間への第１の電圧の印加を制御する。周波数計測制御回路５１は、例えば電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させる。第１の電圧は、例えば交流電圧である。周波数計測制御回路５１は、第１の電圧を印加するための電源と、振動周波数を計測する測定器と、を有する。

【0034】

インピーダンス計測制御回路５２は、電極３４１と電極３４２との間への第２の電圧の印加を制御する。インピーダンス計測制御回路５２は、例えば電極３４１と電極３４２との間に第２の電圧を印加して感応膜３７のインピーダンスを計測する。第２の電圧は、例えば直流電圧または交流電圧である。インピーダンス計測制御回路５２は、第２の電圧を印加するための電源と、インピーダンスを計測する測定器と、を有する。

【0035】

加熱制御回路５３は、電極３４１および電極３４２への第３の電圧の印加を制御する。加熱制御回路５３は、例えば電極３４１および電極３４２に第３の電圧を印加することにより感応膜３７を加熱して感応膜３７に付着または吸着する対象分子１１ａを脱離させる。第３の電圧は、例えば直流電圧または交流電圧である。加熱制御回路５３は、例えば第３の電圧を印加するための電源を有する。加熱温度は、例えば第３の電圧の値を制御することにより調整される。

【0036】

スイッチング回路５４は、電極３３、電極３４１、電極３４２、および電極３６と周波数計測制御回路５１との接続、電極３３、電極３４１、電極３４２、および電極３６とインピーダンス計測制御回路５２との接続、電極３３、電極３４１、電極３４２、および電極３６と加熱制御回路５３との接続を切り替える。スイッチング回路５４は、例えば複数のスイッチを有する。

【0037】

解析部６は、感応膜３７への分子の付着または吸着による振動子３５の振動周波数の変化を示すデータ、感応膜３７のインピーダンスの変化を示すデータ、および感応膜３７からの分子の脱離による上記振動周波数の変化を示すデータからなる群より選択される少なくとも一つのデータに基づいて、対象分子１１ａの種類および濃度からなる群より選択される少なくとも一つを検出する。複数の検出素子３０を備える場合、複数の検出素子３０のそれぞれにおける、感応膜３７への分子の付着または吸着による振動子３５の振動周波数の変化を示すデータ、感応膜３７のインピーダンスの変化を示すデータ、および感応膜３７からの分子の脱離による上記振動周波数の変化を示すデータからなる群より選択される少なくとも一つのデータに基づいて、対象分子１１ａの種類および濃度からなる群より選択される少なくとも一つを検出する。解析部６は、計測されたデータを処理する信号処理部６１と、処理されたデータに基づいて対象分子１１ａの種類および濃度の少なくとも一つを分析する分析部６２と、を備える。

【0038】

以上のように、本実施形態の分子検出装置は、振動子３５の駆動電極として電極３４１、３４２を設けることにより、感応膜３７のインピーダンスを測定する機能や、感応膜３７に付着または吸着する分子を脱離させるためのヒータとしての機能を駆動電極に付与することができる。これにより、検出素子３０において、感応膜３７による分子の吸着または脱離に応じた振動子の振動周波数の変化、分子の極性、誘電率、大気中であれば湿度に対応するインピーダンスの変化を測定するとともに加熱により感応膜３７に付着または吸着する分子の脱離を促進することができる。また、電極３４１および電極３４２を設けることにより駆動電極と感応膜３７との接触面積が増加し、感応膜３７と対象分子との相互作用を生じやすくすることができる。さらに、電極３４１および電極３４２は、同一面に形成できるため、同一工程で形成することができ、工程数の増加を抑制することができる。

【0039】

（第２の実施形態）
検出素子３０の構造は、図１ないし図３に示す構造に限定されない。図６は、検出素子３０の他の構造例を示す上面図であり、図７は、図６の線分Ａ−Ａ’における断面図である。なお、図１ないし図３と共通する部分については、図１ないし図３の説明を適宜援用することができる。

【0040】

図６および図７に示す検出素子３０は、図１ないし図３に示す検出素子３０と比較して電極３４３をさらに備える点が異なる。なお、便宜のため、図６では感応膜３７を点線で示す。

【0041】

電極３４３は、面３２ｂに電気的に接続されるとともに電極３４１および電極３４２と電気的に分離される。電極３４３は、例えば面３２ｂに接して設けられるとともに電極３４１および電極３４２と離間する。電極３４３は、スイッチング回路５４に電気的に接続されるとともに電極３４１および電極３４２と電気的に分離する。電極３４３は、例えば感応膜３７を加熱して感応膜に付着または吸着する分子を脱離させるヒータとしての機能を有する。

【0042】

電極３４３は、例えば面３２ｂと感応膜３７との間で連続して屈曲するサーペンタイン形状を有する。電極３４３と感応膜３７との接触面積を増やすことにより、感応膜３７を加熱し易くすることができる。電極３４３は、例えば電極３４１および電極３４２に適用可能な材料を用いて形成される。なお、同一の導電膜をパターニングすることにより電極３４１ないし電極３４３を同時に形成してもよい。

【0043】

（第３の実施形態）
図８は、検出素子３０の他の構造例を示す上面図であり、図９は、図８の線分Ａ−Ａ’における断面図である。なお、図１ないし図３と共通する部分については、図１ないし図３の説明を適宜援用することができる。

【0044】

図８および図９に示す検出素子３０は、図１ないし図３に示す検出素子３０と比較して電極３４４および電極３４５をさらに備える点が異なる。なお、便宜のため、図８では感応膜３７を点線で示す。

【0045】

電極３４４は、面３２ｂに電気的に接続されるとともに電極３４１および電極３４２と電気的に分離される。電極３４４は、例えば面３２ｂに接して設けられるとともに電極３４１および電極３４２と離間する。電極３４４は、スイッチング回路５４に電気的に接続されるとともに電極３４１および電極３４２と電気的に分離する。電極３４４は、感応膜３７のインピーダンスを計測するための機能電極としての機能、および感応膜３７を加熱して感応膜に付着または吸着する分子を脱離させるヒータとしての機能を有していてもよい。

【0046】

電極３４５は、面３２ｂに電気的に接続されるとともに電極３４１ないし電極３４４と電気的に分離される。電極３４５は、例えば面３２ｂに接して設けられるとともに電極３４１ないし電極３４４と離間する。よって、電極３４５は、スイッチング回路５４に電気的に接続されるとともに電極３４１ないし電極３４４と電気的に分離する。電極３４５は、感応膜３７のインピーダンスを計測するための機能電極としての機能、および感応膜３７を加熱して感応膜に付着または吸着する分子を脱離させるヒータとしての機能を有していてもよい。

【0047】

電極３４４および電極３４５は、例えば面３２ｂと感応膜３７との間で互いに対向する櫛歯形状を有する。電極３４４および電極３４５と感応膜３７との接触面積を増やすことにより、例えば感応膜３７のインピーダンスを測定し易くするとともに感応膜３７を加熱し易くすることができる。電極３４４、３４５は、例えば電極３４１、３４２に適用可能な材料を用いて形成される。

【0048】

図１０は、電極３４４および電極３４５の構造例を示す図である。図１０に示す電極３４４および電極３４５のそれぞれは、例えば面３２ｂと感応膜３７との間で連続して屈曲してサーペンタイン形状を形成するとともに互いに対向する櫛歯形状を形成する。電極３４４および電極３４５と感応膜３７との接触面積を増やすことにより、例えば感応膜３７のインピーダンスを測定し易くするとともに感応膜３７を加熱し易くすることができる。

【0049】

電極３４４および電極３４５は、例えばスイッチング回路５４におけるスイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２をオン状態にすることにより加熱制御回路５３の直流電源ＤＣ１および直流電源ＤＣ２に接続され、直流電圧が供給されて加熱される。また、電極３４４および電極３４５は、例えばスイッチング回路５４におけるスイッチＳＷ３、スイッチＳＷ４、スイッチＳＷ５をオン状態にすることによりインピーダンス計測制御回路５２の交流電源ＡＣに接続され、交流電圧が供給されて感応膜３７のインピーダンスを測定することができる。

【0050】

（第４の実施形態）
図１１は、検出素子３０の他の構造例を示す上面図であり、図１２は、図１１の線分Ａ−Ａ’における断面図である。なお、図１ないし図３と共通する部分については、図１ないし図３の説明を適宜援用することができる。

【0051】

図１１および図１２に示す検出素子３０は、図１ないし図３に示す検出素子３０と比較して電極３４１および電極３４２が面３２ｂと感応膜３７との間で互いに対向する櫛歯形状を有する点が異なる。なお、便宜のため、図１１では感応膜３７を点線で示す。

【0052】

電極３４１および電極３４２と感応膜３７との接触面積を増やすことにより、例えば感応膜３７のインピーダンスを測定し易くするとともに感応膜３７を加熱し易くすることができる。

【0053】

図１３は、電極３４１および電極３４２の構造例を示す図である。図１０に示す電極３４１および電極３４２のそれぞれは、例えば面３２ｂと感応膜３７との間で連続して屈曲してサーペンタイン形状を形成するとともに互いに対向する櫛歯形状を形成する。電極３４１および電極３４２と感応膜３７との接触面積を増やすことにより、例えば感応膜３７のインピーダンスを測定し易くするとともに感応膜３７を加熱し易くすることができる。

【0054】

電極３４１および電極３４２は、例えばスイッチング回路５４におけるスイッチＳＷ１およびスイッチＳＷ２をオン状態にすることにより加熱制御回路５３の直流電源ＤＣ１および直流電源ＤＣ２にそれぞれ接続され、直流電圧が供給されて加熱される。また、電極３４１および電極３４２は、例えばスイッチング回路５４におけるスイッチＳＷ３、スイッチＳＷ４、スイッチＳＷ５をオン状態にすることによりインピーダンス計測制御回路５２の交流電源ＡＣに接続され、交流電圧が供給されて感応膜３７のインピーダンスを測定することができる。

【0055】

次に、実施形態の分子検出装置を用いた、対象分子１１ａの検出方法例について説明する。図１４は、検出方法例を説明するためのフローチャートである。

【0056】

検出方法例は、図１４に示すように、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ１−１と、流体導入ステップＳ１−２と、吸着による周波数変化計測ステップＳ１−３と、流体排出ステップＳ１−４と、脱離による周波数変化計測ステップＳ１−５と、対象分子解析ステップＳ１−６と、を具備する。この例は、検出素子３０が例えば図１ないし図３に示す構造、または図１１ないし図１３に示す構造の場合に適用可能であり、振動子３５を駆動させるための駆動電極がヒータを兼ねる。

【0057】

感応膜初期化および初期値取得ステップＳ１−１では、まずスイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の初期振動周波数を計測する。次にスイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１との接続を解除し、検出素子３０と加熱制御回路５３とを接続し、電極３４１および電極３４２に第３の電圧を印加することにより感応膜３７を加熱して感応膜３７に付着または吸着する分子を脱離させる。このとき、温度センサ（図示しない）を別途設けて所定の温度になるよう制御してもよい。所定の時間経過後にスイッチング回路５４により検出素子３０と加熱制御回路５３との接続を解除し、加熱を停止する。次にスイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の振動周波数を計測し、例えば振動周波数の初期値と飽和値との差を振動周波数の変化を示すデータとして取得する。なお、振動周波数の初期値に対する飽和値の比を振動周波数の変化を示すデータとして取得してもよい。振動周波数が所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たした時点で計測を終了し、初期化が完了する。

【0058】

流体導入ステップＳ１−２では、捕集部２から検出部３に流体１を導入する。流体１に含まれる対象分子１１ａは、検出素子３０における感応膜３７に付着または吸着する。

【0059】

吸着による周波数変化計測ステップＳ１−３では、スイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の振動周波数を計測する。

【0060】

吸着による周波数変化計測ステップＳ１−３では、例えば振動周波数の初期値と飽和値との差を振動周波数の変化を示すデータとして取得する。なお、振動周波数の初期値に対する飽和値の比を振動周波数の変化を示すデータとして取得してもよい。振動周波数が所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの振動周波数の変化量または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たすまで振動周波数の測定を継続する。これにより、感応膜３７に吸着または付着した物質の脱離を確認することができる。

【0061】

流体排出ステップＳ１−４では、排出部４を介して流体１を排出する。

【0062】

脱離による周波数変化計測ステップＳ１−５では、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ１−１と同様の方法で加熱と振動周波数計測を繰り返し、所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たした時点で計測を終了する。

【0063】

対象分子解析ステップＳ１−６では、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ１−１、吸着による周波数変化計測ステップＳ１−３、脱離による周波数変化計測ステップＳ１−５等で計測した振動周波数の変化を示すデータを信号処理部６１において処理し、処理されたデータから分析部６２において対象分子１１ａの種類および濃度からなる群より選ばれる少なくとも一つを解析する。複数の検出素子３０が例えばマトリクス状に配置されている場合は、それぞれの検出素子３０から得られる情報を総合して解析し、対象分子１１ａの種類とその濃度の推定精度を向上させることができる。

【0064】

図１５は、検出方法の他の例を説明するためのフローチャートである。検出方法の他の例は、図１５に示すように、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ２−１と、流体導入ステップＳ２−２と、吸着による周波数変化計測ステップＳ２−３と、流体排出ステップＳ２−４と、脱離による周波数変化計測ステップＳ２−５と、対象分子解析ステップＳ２−６と、を具備する。この例は、検出素子３０が例えば図６および図７に示す構造または図８ないし図１０に示す構造の場合に適用可能であり、振動子３５を駆動させるための駆動電極とヒータとしての機能を有する電極が独立しており、加熱と振動周波数計測を同時に行う。

【0065】

感応膜初期化および初期値取得ステップＳ２−１では、まずスイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の初期振動周波数計測を開始する。次にスイッチング回路５４により検出素子３０と加熱制御回路５３とを接続し、電極３４３ないし３４５に第３の電圧を印加することにより感応膜３７を加熱して感応膜３７に付着または吸着する分子を脱離させる。このとき、温度センサ（図示しない）を別途設けて所定の温度になるよう制御してもよい。このように加熱しながら周波数計測し、例えば振動周波数の初期値と飽和値との差を振動周波数の変化を示すデータとして取得する。なお、振動周波数の初期値に対する飽和値の比を振動周波数の変化を示すデータとして取得してもよい。周波数が所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たした時点で加熱を停止し、計測を終了する。

【0066】

流体導入ステップＳ２−２では、捕集部２から検出部３に流体１を導入する。流体１に含まれる対象分子１１ａは、検出素子３０における感応膜３７に付着または吸着する。

【0067】

吸着による周波数変化計測ステップＳ２−３では、スイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の振動周波数を計測する。振動子３５の振動周波数は、電極３６を用いて計測することができる。

【0068】

図１６は、吸着による周波数変化計測ステップＳ２−３における時間と振動周波数の変化量ΔＦとの関係を示す図である。振動周波数の変化量ΔＦは、時間が経過するにつれて分子が付着または吸着するため増加し、その後飽和する。このときの傾きは分子の吸着速度に対応する。また、振動周波数の初期値と飽和値との差は分子の総吸着量に対応する。

【0069】

吸着による周波数変化計測ステップＳ２−３では、例えば振動周波数の初期値と飽和値との差を振動周波数の変化を示すデータとして取得する。なお、振動周波数の初期値に対する飽和値の比を振動周波数の変化を示すデータとして取得してもよい。周波数が所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たすまで周波数の測定を継続する。

【0070】

流体排出ステップＳ２−４では、排出部４を介して流体１を排出する。

【0071】

脱離による周波数変化計測ステップＳ２−５では、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ２−１と同様の方法で加熱しながら振動周波数の変化を計測し、所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たした時点で計測を終了する。

【0072】

図１７は、脱離による周波数変化計測ステップＳ２−５における時間と振動周波数の変化量ΔＦとの関係を示す図である。振動周波数の変化量ΔＦは、時間が経過するにつれて分子が脱離するため減少し、その後飽和する。このときの傾きは分子の脱離速度に対応する。図１７では、脱離速度Ａ、Ｂ、Ｃの三段階の速度で分子が脱離していることがわかる。複数の分子が共存する場合、感応膜３７との相互作用の強さによって脱離速度に差が生じるためである。このような脱離速度の違いに関するデータを得る事は分子種の識別精度向上に役立つ。また、振動周波数の初期値と飽和値との差は分子の総脱離量に対応する。

【0073】

対象分子解析ステップＳ２−６では、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ１−１、吸着による周波数変化計測ステップＳ１−３、脱離による周波数変化計測ステップＳ１−５等で計測した振動周波数の変化を示すデータを信号処理部６１において処理し、処理されたデータから分析部６２において対象分子１１ａの種類および濃度からなる群より選ばれる少なくとも一つを解析する。複数の検出素子３０が例えばマトリクス状に配置されている場合は、それぞれの検出素子３０から得られる情報を総合して解析し、対象分子１１ａの種類とその濃度の推定精度を向上させることができる。

【0074】

本検出方法例では、感応膜３７を加熱しながら振動子３５の振動周波数を測定することにより感応膜３７からの分子の脱離による振動周波数の変化を示すデータを用いて対象分子１１ａを検出することができる。これにより、対象分子１１ａの検出精度を向上させることができる。

【0075】

図１８は、検出方法の他の例を説明するためのフローチャートである。検出方法の他の例は、図１８に示すように、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ３−１と、感応膜のインピーダンス計測ステップＳ３−２と、流体導入ステップＳ３−３と、吸着による周波数変化計測ステップＳ３−４と、流体排出ステップＳ３−５と、脱離による周波数変化計測ステップＳ３−６と、を具備する。この例は、検出素子３０が例えば図８ないし図１０に示す構造の場合に適用可能である。

【0076】

感応膜初期化および初期値取得ステップＳ３−１では、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ２−１と同様に、まずスイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の初期振動周波数計測を開始する。次にスイッチング回路５４により検出素子３０と加熱制御回路５３とを接続し、電極３４３ないし３４５に第３の電圧を印加することにより感応膜３７を加熱して感応膜３７に付着または吸着する分子を脱離させる。このとき、温度センサ（図示しない）を別途設けて所定の温度になるよう制御してもよい。このように加熱しながら周波数計測し、例えば振動周波数の初期値と飽和値との差を振動周波数の変化を示すデータとして取得する。なお、振動周波数の初期値に対する飽和値の比を振動周波数の変化を示すデータとして取得してもよい。周波数が所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たした時点で加熱を停止し、計測を終了する。

【0077】

感応膜３７のインピーダンス計測ステップＳ３−２では、スイッチング回路５４により検出素子３０とインピーダンス計測制御回路５２とを接続し、電極３４４と電極３４５との間に第２の電圧を印加して感応膜３７のインピーダンスを測定する。インピーダンス計測ステップＳ２−２では、所定時間経過した場合に計測を終了する。所定時間経過していない場合にはインピーダンスの測定を継続する。

【0078】

感応膜３７のインピーダンスの変化は吸着分子の比誘電率が大きく影響すると考えられる。水は比誘電率が８０と非常に高く、最も検出しやすい分子であるが、これ以外でも、例えばエタノールの比誘電率２４を筆頭に、ヒドロキシル基、カルボキシル基、カルボニル基、アミノ基など極性基（あるいは官能基）を有する分子は比誘電率が大きい。これに対し、炭化水素系の分子はヘキサンの１．９に代表されるように低誘電率となる傾向がある。ただし、分子の吸着による容量変化は当然その吸着量に依存するため、振動数変化による吸着量変化の情報と併せることにより、対象分子の検出精度や検出感度を向上させることができる。

【0079】

感応膜３７を有する検出素子の課題として、例えば感応膜３７への水分の吸着による対象分子１１ａの検出感度の低下や、誤検出が挙げられる。これに対し、例えば検出素子上に形成された感応膜の上下に電極を形成し、インピーダンスを計測することにより湿度を見積もり、検出素子により得られるデータの補正を行うことが考えられる。

【0080】

しかしながら、上記構成では感応膜の上面が電極で被覆されてしまい、対象分子の付着または吸着を阻害してしまうおそれがある。一方、検出素子３０の構成では、感応膜３７は電極３４１、３４２の上部に形成されており、感応膜３７の上面に電極を形成する必要が無いため、対象分子１１ａの付着または吸着は阻害されない。

【0081】

流体導入ステップＳ３−３では、捕集部２から検出部３に流体１を導入する。流体１に含まれる対象分子１１ａは、検出素子３０における感応膜３７に付着または吸着する。

【0082】

吸着による周波数変化計測ステップＳ３−４では、スイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の振動周波数を計測する。振動子３５の振動周波数は、電極３６を用いて計測することができる。

【0083】

吸着による周波数変化計測ステップＳ３−４では、例えば振動周波数の初期値と飽和値との差を振動周波数の変化を示すデータとして取得する。なお、振動周波数の初期値に対する飽和値の比を振動周波数の変化を示すデータとして取得してもよい。周波数が所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たすまで周波数の測定を継続する。

【0084】

流体排出ステップＳ３−５では、排出部４を介して流体１を排出する。

【0085】

脱離による周波数変化計測ステップＳ３−６では、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ３−１と同様の方法で電極３４４と電極３４５との間に第３の電圧を印加して感応膜３７を加熱しながら振動周波数の変化を計測し、所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たした時点で計測を終了する。

【0086】

対象分子解析ステップＳ３−７では、感応膜のインピーダンス計測ステップＳ３−２において計測したインピーダンスを示すデータ、吸着による周波数変化計測ステップＳ３−４、脱離による周波数変化計測ステップＳ３−６において計測した振動周波数の変化を示すデータを信号処理部６１において処理し、処理されたデータから分析部６２において対象分子１１ａの種類および濃度からなる群より選ばれる少なくとも一つを分析する。

【0087】

本検出方法例では、流体１を導入する前に感応膜３７のインピーダンスを測定することにより感応膜３７への水分等の付着によるインピーダンスの変化を示すデータを用いて対象分子１１ａを検出することができる。例えば、測定環境が大気の場合、湿度の測定が可能となる。これにより、対象分子１１ａの検出感度および検出精度を向上させることができる。

【0088】

図１９は、検出方法の他の例を説明するためのフローチャートである。検出方法の他の例は、図１９に示すように、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ４−１と、流体導入ステップＳ４−２と、吸着による周波数変化計測ステップＳ４−３と、感応膜のインピーダンス計測ステップＳ４−４と、流体排出ステップＳ４−５と、脱離による周波数変化計測ステップＳ４−６と、対象分子解析ステップＳ４−７とを具備する。この例は、検出素子３０が例えば図８ないし図１０に示す構造の場合に適用可能である。

【0089】

感応膜初期化および初期値取得ステップＳ４−１では、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ３−１と同様に、まずスイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の初期振動周波数計測を開始する。次にスイッチング回路５４により検出素子３０と加熱制御回路５３とを接続し、電極３４３ないし３４５に第３の電圧を印加することにより感応膜３７を加熱して感応膜３７に付着または吸着する分子を脱離させる。このとき、温度センサ（図示しない）を別途設けて所定の温度になるよう制御してもよい。このように加熱しながら周波数計測し、例えば振動周波数の初期値と飽和値との差を振動周波数の変化を示すデータとして取得する。なお、振動周波数の初期値に対する飽和値の比を振動周波数の変化を示すデータとして取得してもよい。周波数が所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たした時点で加熱を停止し、計測を終了する。

【0090】

流体導入ステップＳ４−２では、捕集部２から検出部３に流体１を導入する。流体１に含まれる対象分子１１ａは、検出素子３０における感応膜３７に付着または吸着する。

【0091】

吸着による周波数変化計測ステップＳ４−３では、スイッチング回路５４により検出素子３０と周波数計測制御回路５１とを接続し、電極３３と電極３４１および電極３４２との間に第１の電圧を印加することにより振動子３５を振動させて振動子３５の振動周波数を計測する。振動子３５の振動周波数は、電極３６を用いて計測することができる。

【0092】

吸着による周波数変化計測ステップＳ４−３では、例えば振動周波数の初期値と飽和値との差を振動周波数の変化を示すデータとして取得する。なお、振動周波数の初期値に対する飽和値の比を振動周波数の変化を示すデータとして取得してもよい。周波数が所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たすまで周波数の測定を継続する。

【0093】

感応膜３７のインピーダンス計測ステップＳ４−４ではスイッチング回路５４により検出素子３０とインピーダンス計測制御回路５２とを接続し、電極３４４と電極３４５との間に第２の電圧を印加して感応膜３７のインピーダンスを測定する。インピーダンス計測ステップＳ４−４では、所定時間経過した場合に計測を終了する。所定時間経過していない場合にはインピーダンスの測定を継続する。

【0094】

流体排出ステップＳ４−５では、排出部４を介して流体１を排出する。

【0095】

脱離による周波数変化計測ステップＳ４−６では、感応膜初期化および初期値取得ステップＳ４−１と同様の方法で電極３４４と電極３４５との間に第３の電圧を印加して感応膜３７を加熱しながら振動周波数の変化を計測し、所定の判定条件、例えば、単位時間あたりの周波数変化値または変化率が閾値以下となるなどの条件を満たした時点で計測を終了する。

【0096】

対象分子解析ステップＳ４−７では、感応膜のインピーダンス計測ステップＳ４−４において計測したインピーダンスを示すデータ、吸着による周波数変化計測ステップＳ４−３、脱離による周波数変化計測ステップＳ４−６において計測した振動周波数の変化を示すデータを信号処理部６１において処理し、処理されたデータから分析部６２において対象分子１１ａの種類および濃度からなる群より選ばれる少なくとも一つを分析する。

【0097】

本検出方法例では、流体１を導入した後に感応膜３７のインピーダンスを測定することにより対象分子１１ａによるインピーダンスの変化を示すデータを用いて対象分子１１ａを検出することができる。これにより、対象分子１１ａの検出精度を向上させることができる。

【実施例】

【0098】

（実施例１）
図６に示す構造の検出素子３０を備える分子検出装置を作製した。電極３４１、３４２は金電極である。面３２ｂの約１００ｕｍ角のエリアにＨＫＵＳＴ−１を有する感応膜３７を形成した。シグマアルドリッチ社製ＨＫＵＳＴ−１粉末（Ｂａｓｏｌｉｔｅ（登録商標） Ｃ ３００）を用い、１０ｍｇ／ｍｌ純水分散液を調製した。産業用のインクジェット装置を用い、前述のエリアに上記分散液を数滴塗布し、６０℃のオーブンで３時間乾燥した。

【0099】

エチレンガスを窒素ガスで希釈して１０ｐｐｍに調整した混合ガスをサンプリングバッグに封入し、サンプルガスを形成した。このサンプリングバッグを分子検出装置に接続し、ポンプで吸引してサンプルガスを検出部３に導入した。その後、図１５に示すフローチャートに従って対象分子１１ａを検出した。

【0100】

１０ｐｐｍのエチレンガスによって、振動子３５の振動周波数の変化量は５０Ｈｚであった。感応膜３７の加熱およびサンプルガス排出後の振動周波数の単位時間当たりの変化量が閾値以下であったため、感応膜３７に吸着した分子が脱離したと判断し、計測を終了した。本実施例によりサンプルガスにおける１０ｐｐｍのエチレンガスを検出することができた。

【0101】

（実施例２）
図８ないし図９に示す構造の検出素子３０を有する検出装置を作製した。電極３４１ないし電極３４５は金電極である。面３２ｂの約１００ｕｍ角のエリアにＨＫＵＳＴ−１を有する感応膜３７を形成した。

【0102】

アセチレンガスを大気で希釈し、１０ｐｐｍに調整した混合ガスをサンプリングバッグに封入し、サンプルガスとした。このサンプリングバッグを検出装置に接続し、ポンプで吸引してサンプルガスを検出部３に導入した。その後、図１８に示すフローチャートに従って、対象分子１１ａを検出した。

【0103】

流体１の導入前にインピーダンス測定を行った結果、測定環境（２０℃）における相対湿度は約４０％ＲＨとわかった。次に流体１を導入してエチレンガス吸着による振動子３５の振動周波数の変化を示すデータを取得した。振動子３５の振動周波数の変化量と大気中のエチレン濃度の関係は大気の湿度によって異なるため、事前に補正用テーブルを取得しておき、インピーダンス測定によって得た４０％ＲＨの相対湿度を示すデータを用いた関係式からエチレン濃度を見積もった。感応膜３７の加熱およびサンプルガス排出後の振動周波数の単位時間当たりの変化量が閾値以下であったため、感応膜３７に吸着した分子が脱離したと判断し、計測を終了した。本実施例によりサンプルガスにおける１０ｐｐｍのアセチレンガスを検出することができた。

【0104】

（実施例３）
図１１ないし図１３に示す構造の検出素子３０を有する検出装置を用いた。電極３４１、３４２は金電極である。面３２ｂの約１００ｕｍ角のエリアにＨＫＵＳＴ−１を有する感応膜３７を形成した。

【0105】

エチレンガスを窒素ガスで希釈し、１０ｐｐｍに調整した混合ガスをサンプリングバッグに封入し、サンプルガスとした。このサンプリングバッグを検出装置に接続し、ポンプで吸引してサンプルガスを検出部３に導入した。その後、図１９に示すフローチャートに従って対象分子１１ａを検出した。

【0106】

流体１を導入してエチレンガス吸着による振動子３５の振動周波数の変化を示すデータを取得した。次にインピーダンス測定を行い、エチレン以外の極性分子（水、一酸化炭素など）の吸着ではないことを確認した。感応膜３７の加熱およびサンプルガス排出後の単位時間当たりの振動周波数の変化量が閾値以下であったため、感応膜３７に吸着した分子が脱離したと判断し、計測を終了した。本実施例によりサンプルガスにおける１０ｐｐｍのエチレンガスを検出することができた。

【0107】

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0108】

１…流体、２…捕集部、３…検出部、４…排出部、５…制御部、６…解析部、１１ａ…対象分子、１１ｂ…夾雑物、１１ｃ…水分、３０…検出素子、３１…基体、３２…圧電体、３２ａ…面、３２ｂ…面、３３…電極、３４１…電極、３４２…電極、３４３…電極、３４４…電極、３４５…電極、３５…振動子、３６…電極、３７…感応膜、５１…周波数計測制御回路、５２…インピーダンス計測制御回路、５３…加熱制御回路、５４…スイッチング回路、６１…信号処理部、６２…分析部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】