特許 7450577 ケミカルセンサモジュール及び検体物質の識別方法

(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】

(24)【登録日】2024-03-07

(45)【発行日】2024-03-15

(54)【発明の名称】ケミカルセンサモジュール及び検体物質の識別方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/414 20060101AFI20240308BHJP

【ＦＩ】

G01N27/414 301U

G01N27/414 301V

G01N27/414 301Z

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2021048070

(22)【出願日】2021-03-23

(65)【公開番号】P2022147000

(43)【公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-02-14

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）第２期／フィジカル空間デジタルデータ処理基盤／サブテーマＩＩ：超低消費電力ＩｏＴデバイス・革新的センサ技術／超高感度センサシステムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(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】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】杉崎 吉昭

(72)【発明者】

【氏名】三木 弘子

【審査官】小澤 理

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２０８９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１７６２８９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】実開昭５９－０２５４６０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開平０７－１４０１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５１４１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３０９０１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０４－０７５２６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２３４８６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１７８８３７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／４１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１乃至第ｎ（ｎは２以上の自然数）のグラフェンセンサと、
前記第１乃至前記第ｎのグラフェンセンサのそれぞれを、検体物質を含み、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が互いに異なる別々の第１乃至第ｎの水溶液に曝露する曝露機構と、
を備え、
前記第１乃至前記第ｎのグラフェンセンサの電気特性の違いから前記検体物質を識別するケミカルセンサモジュール。

【請求項2】

前記検体物質を含む気体と、取り込み溶液とを混合する機構と、
前記検体物質が混合された前記取り込み溶液をさらにリン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度の異なる液体と混合し、前記第１乃至前記第ｎの水溶液とする第１乃至第ｎの機構と、を含む、
混合機構をさらに有する請求項１に記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項3】

前記検体物質を含む気体と、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が異なる水溶液とを混合し、前記第１乃至前記第ｎの水溶液とする第１乃至第ｎの機構を含む混合機構をさらに有する請求項１に記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項4】

前記検体物質を含む気体と、取り込み溶液とを混合する機構と、
前記第１乃至第ｎ－１のグラフェンセンサに曝露済みの前記第１乃至第ｎ－１の水溶液と、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンを含む溶液とを混合して第２乃至前記第ｎの水溶液とする複数の機構と、を含む、
混合機構をさらに有する請求項１に記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項5】

前記検体物質の電荷と、価数と、共役二重結合の有無と、の少なくとも１つを識別する請求項１～４のいずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項6】

前記第１乃至前記第ｎの水溶液が、ＨＥＰＥＳ緩衝液と、リン酸緩衝液と、これらの混合物とのいずれかを含む請求項１～５のいずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項7】

前記１乃至前記第ｎの水溶液が、多価のアニオンと、多価のカチオンと、共役二重結合をもつアニオンと、共役二重結合をもつカチオンとのいずれかを含む請求項１～６のいずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項8】

前記第１乃至前記第ｎのグラフェンセンサは、それぞれ、前記第１乃至前記第ｎの水溶液に曝露されたグラフェン膜と、前記グラフェン膜に接続された第１電極と、前記グラフェン膜に接続された第２電極とを有する請求項１～７のいずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項9】

前記第１乃至前記第ｎのグラフェンセンサは、それぞれ、前記第１乃至前記第ｎの水溶液に接触したゲート配線を有する請求項８に記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項10】

前記第１乃至前記第ｎの水溶液を、前記第１乃至前記第ｎのグラフェンセンサに供給する供給機構をさらに備えた請求項１～９いずれか１つに記載のケミカルセンサモジュール。

【請求項11】

第１乃至第ｎ（ｎは２以上の自然数）のグラフェンセンサのそれぞれを、同じ検体物質を含み、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が互いに異なる別々の第１乃至第ｎの水溶液に曝露し、
前記第１乃至前記第ｎの水溶液の違いによる前記グラフェンセンサの電気特性の違いから前記検体物質を識別する検体物質の識別方法。

【請求項12】

リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が異なる水溶液のそれぞれに、同じ前記検体物質を等量ずつ混合して前記第１乃至前記第ｎの水溶液とする、請求項１１に記載の検体物質の識別方法。

【請求項13】

前記検体物質と水溶液を混合し、前記検体物質と混合した前記水溶液と、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が異なる別の水溶液とを混合して、前記第１乃至前記第ｎの水溶液とする、請求項１１に記載の検体物質の識別方法。

【請求項14】

前記第１乃至第ｎ－１の水溶液にリン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンを含む水溶液を混合して、それぞれ第２乃至前記第ｎの水溶液とする請求項１１に記載の検体物質の識別方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ケミカルセンサモジュール及び検体物質の識別方法に関する。

【背景技術】

【0002】

グラフェンは、その表面での原子や分子の結合、吸着、あるいは近接に対して大きな電気特性変化（高い感度）を示す。グラフェンを用いたセンサは、気相から水溶液中に取り込まれた検体物質を水溶液中で検出する場合に用いることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－４１６２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、グラフェンの表面におけるリン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの検体物質との競合を利用した新規なケミカルセンサモジュール及び検体物質の識別方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態によれば、ケミカルセンサモジュールは、第１乃至第ｎ（ｎは２以上の自然数）のグラフェンセンサと、前記第１乃至前記第ｎのグラフェンセンサのそれぞれを、検体物質を含み、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が互いに異なる別々の第１乃至第ｎの水溶液に曝露する曝露機構と、を備え、前記第１乃至前記第ｎのグラフェンセンサの電気特性の違いから前記検体物質を識別する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態のケミカルセンサモジュールの概略構成図である。

【図2】実施形態のケミカルセンサモジュールにおける混合機構の一例を示す模式図である。

【図3】実施形態のケミカルセンサモジュールにおける混合機構の他の例を示す模式図である。

【図4】図３に示す混合機構の流路チップの模式斜視図である。

【図5】実施形態のケミカルセンサモジュールにおけるグラフェンセンサの模式斜視図である。

【図6】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態のグラフェンセンサを水溶液に曝露する曝露機構の模式図である。

【図7】２－フェニルエチルアミンのリン酸緩衝液中での応答を表すグラフである。

【図8】ＮａＯＨのリン酸緩衝液中での応答を表すグラフである。

【図9】各種イオンのリン酸緩衝液中での応答を表すグラフである。

【図10】２－アミノエタノールのリン酸緩衝液中での応答を表すグラフである。

【図11】リン酸のＨＥＰＥＳ緩衝液中での応答を表すグラフである。

【図12】安息香酸のＨＥＰＥＳ緩衝液中での応答を表すグラフである。

【図13】アルギニンアミドをリン酸緩衝液に滴下したときの応答を表すグラフである。

【図14】２－フェニルエチルアミンをリン酸緩衝液に滴下したときの応答を表すグラフである。

【図15】２－アミノエタノールをリン酸緩衝液に滴下したときの応答を表すグラフである。

【図16】安息香酸をリン酸緩衝液に滴下したときの応答を表すグラフである。

【図17】クエン酸をリン酸緩衝液に滴下したときの応答を表すグラフである。

【図18】実験結果をまとめた表である。

【図19】２－フェニルエチルアミンのＨＥＰＥＳ緩衝液中での応答を表すグラフである。

【図20】変形例１のケミカルセンサモジュールの概略構成図である。

【図21】変形例２のケミカルセンサモジュールの概略構成図である。

【図22】（ａ）は２－フェニルエチルアミンの構造式であり、（ｂ）はアルギニンアミドの構造式であり、（ｃ）はペリリック酸の構造式であり、（ｄ）は安息香酸の構造式であり、（ｅ）は２－アミノエタノールの構造式である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照し、実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ構成には同じ符号を付している。

【0008】

図１は、実施形態のケミカルセンサモジュール１の概略構成図である。

【0009】

実施形態のケミカルセンサモジュールは、第１乃至第ｎ（ｎは２以上の自然数）の混合機構１０－１～１０－ｎと、第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎと、第１乃至第ｎの水溶液タンク４１－１～４１－ｎとを備える。

【0010】

吸気配管５０と排気配管５２との間に第１乃至第ｎの配管５１が並列に接続されている。それぞれの配管５１に、第１乃至第ｎの混合機構１０－１～１０－ｎのいずれか１つが接続されている。排気配管５２に、吸排気装置４３が接続されている。吸排気装置４３は、例えば、ポンプまたはファンである。吸排気装置４３の駆動により、吸気配管５０及びそれぞれの配管５１を介して、それぞれの混合機構１０－１～１０－ｎに検体雰囲気が取り込まれる。

【0011】

それぞれの混合機構１０－１～１０－ｎに、配管５４を介して、第１乃至第ｎの水溶液タンク４１－１～４１－ｎのいずれか１つが接続されている。水溶液タンク４１－１～４１－ｎには、水溶液が貯留されている。各水溶液タンク４１－１～４１－ｎ中の水溶液は、リン酸イオンとマグネシウムイオンと硫酸イオンとのいずれかの濃度が異なっている。水溶液は、例えば、ＨＥＰＥＳ（4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid））緩衝液と、リン酸緩衝液（リン酸二水素一ナトリウムとリン酸一水素二ナトリウムの混合溶液）と、これらの混合物とのいずれかである。あるいは、水溶液は、異なる濃度のリン酸を添加したＨＥＰＥＳ緩衝液である。あるいは、水溶液は、異なる濃度の硫酸マグネシウムを添加したＨＥＰＥＳ緩衝液である。水溶液タンク４１－１～４１－ｎから水溶液が混合機構１０－１～１０－ｎに供給される。混合機構１０－１～１０－ｎは、検体雰囲気を水溶液に曝露する。

【0012】

それぞれの混合機構１０－１～１０－ｎは、配管５７を介して、第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎのいずれか１つと接続されている。

【0013】

それぞれのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎは、排液配管６５に接続されている。各排液配管６５には、ポンプ６４が接続されている。

【0014】

図２は、混合機構の一例を示す模式図である。図２には、第１の混合機構１０－１を代表して表すが、他の混合機構１０－２～１０－ｎも、接続関係も含めて第１の混合機構１０－１と同様に構成されている。

【0015】

第１の混合機構（以下、単に混合機構ともいう）１０－１は、検体雰囲気を水溶液１００にバブリングさせる混合タンク１１を有する。混合タンク１１は、配管５４を介して、第１の水溶液タンク（以下、単に水溶液タンクともいう）４１－１と接続されている。配管５４には、ポンプ１２及びバルブ７１が接続されている。バルブ７１を開き、ポンプ１２を駆動させることで、水溶液タンク４１－１に貯留された水溶液１００が混合タンク１１内に供給される。

【0016】

吸気配管５０の一端部には、混合タンク１１の外に位置する雰囲気捕集口５０ａが形成されている。吸気配管５０と接続された配管５１の他端部は、混合タンク１１内の水溶液１００中に位置する。排気配管５２の一端部は混合タンク１１内の水溶液１００より上部の気相部に位置し、排気配管５２の他端部は排気口となっている。排気配管５２における混合タンク１１と排気口の途中に吸排気装置４３が繋がっている。吸排気装置４３を駆動させることにより、雰囲気捕集口５０ａから配管５０、５１内に取り込まれた検体雰囲気は、混合タンク１１内の水溶液にバブリングされ、検体雰囲気中の検体物質は水溶液に溶解する。

【0017】

混合タンク１１は、配管５７を介して、第１のグラフェンセンサ（以下、単にグラフェンセンサともいう）３０－１に接続されている。配管５７に、バルブ７２及びポンプ１３が接続されている。バルブ７２を開き、ポンプ１３を駆動させることで、混合タンク１１内の水溶液１００が、グラフェンセンサ３０－１に供給される。

【0018】

図３は、混合機構の他の例の模式図である。
図４は、図３に示す流路チップ１１１の模式斜視図である。

【0019】

この混合機構は、流路チップ１１１と、流路チップ１１１に重ね合わされる蓋１１２と、流路チップ１１１と蓋１１２との間に配置される多孔質膜１２１とを有する。

【0020】

また、図４に示すように、流路チップ１１１には、溝１１７の一端部に接続した液体流入路１１３と、溝１１７の他端部に接続した液体流出路１１４が形成されている。図３に示すように、液体流入路１１３は水溶液１００が供給される配管５４に接続され、液体流出路１１４はグラフェンセンサ３０－１と接続された配管５７と接続されている。

【0021】

なお、溝１１７の底面には必要に応じて凹凸を形成することができる。凹凸の形状としては、例えばカオティックミキサーと呼ばれる非対称なＶ字溝を形成することが出来る。このような凹凸を形成することで、層流になりやすいマイクロ流路内で攪拌が発生し、後述の多孔質膜１２１を介した標的分子の取り込み効率が向上する。

【0022】

多孔質膜１２１は、溝１１７を覆っている。多孔質膜１２１上に蓋１１２が配置されている。蓋１１２は、シール部材（例えばゴム部材）１２２を介して、多孔質膜１２１に密着している。蓋１１２における多孔質膜１２１に対向する面に、溝１１７と同じパターンで溝１１８が形成されている。

【0023】

蓋１１２には、溝１１８の一端部に接続した吸気路１１５と、溝１１８の他端部に接続した排気路１１６が形成されている。吸気路１１５は検体雰囲気を取り込む配管５１に接続され、排気路１１６は排気配管５２に接続されている。

【0024】

バルブ７１とバルブ７２をそれぞれ開き、ポンプ１２とポンプ１３を駆動させることで、水溶液タンク４１－１に貯留された水溶液１００が、液体流入路１１３から溝１１７に供給される。水溶液１００は、多孔質膜１２１を透過しない。したがって、水溶液１００は、多孔質膜１２１の上方の溝１１８には流入しない。なお、ポンプ１２とポンプ１３はいずれか一方だけであっても構わない。

【0025】

排気配管５２に接続された吸排気装置４３を駆動することにより、雰囲気捕集口５０ａから配管５０、５１内に取り込まれた検体雰囲気は、吸気路１１５から溝１１８に流入する。検体雰囲気中の検体物質は多孔質膜１２１を透過して、水溶液が供給された溝１１７に入り込み、溝１１７を流動している水溶液に溶解する。

【0026】

検体雰囲気に曝露された溝１１７内の水溶液は、そのまま液体流出路１１４を流れて、グラフェンセンサ３０－１へと供給される。

【0027】

図５は、グラフェンセンサの模式斜視図である。図５には第１のグラフェンセンサ３０－１を代表して表すが、他のグラフェンセンサ３０－２～３０－ｎも第１のグラフェンセンサ３０－１と同様に構成される。

【0028】

グラフェンセンサ３０－１は、グラフェン膜３１を含む電荷検出素子である。グラフェン膜３１の表面は、上記混合機構１０－１から供給される水溶液１００に曝露される。

【0029】

グラフェンセンサ３０－１は、例えば、ＦＥＴ（field effect transistor）構造を有する。グラフェンセンサ３０－１は、基板３３と、基板３３上に設けられた下地膜３４とを有する。下地膜３４上にグラフェン膜３１が設けられている。または、下地膜３４を設けずに、基板３３の表面にグラフェン膜３１を設けてもよい。また、基板３３には、図示せぬ回路やトランジスタが形成されていてもよい。

【0030】

基板３３の材料として、例えば、シリコン、酸化シリコン、ガラス、高分子材料を用いることができる。下地膜３４は、例えばシリコン酸化膜のような絶縁膜である。また、下地膜３４に、グラフェン膜３１を形成するための化学的触媒の機能をもたせることもできる。

【0031】

グラフェンセンサ３０－１は、少なくとも２つの電極（第１電極３５と第２電極３６）を有する。第１電極３５及び第２電極３６の一方はドレイン電極として機能し、他方はソース電極として機能する。

【0032】

第１電極３５及び第２電極３６は、保護絶縁膜３７によって被覆されている。保護絶縁膜３７は例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、高分子などである。

【0033】

下地膜３４上には、さらにゲート配線Ｇが形成され、その一部が保護絶縁膜３７に被覆されずに露出している。ゲート配線Ｇの保護絶縁膜３７から露出した箇所は、金、白金、銀、銀・塩化銀積層膜などからなる。

【0034】

グラフェン膜３１の電子状態を電気的に検出する際に、ゲート配線Ｇを介して、水溶液１００に所望のゲート電位を印加することによって、グラフェン膜３１の電気特性が高感度となる状態に調整することができる。

【0035】

あるいはゲート電位を走査しながら、グラフェン膜３１のソースドレイン間電流を計測することにより、グラフェン内を流れるキャリアが正孔と電子との間で切り替わる電荷中性点を測定することができ、グラフェン膜３１に対する電荷の注入状態を知ることができる。

【0036】

なお、必要に応じてグラフェン膜３１の表面が絶縁体で被覆されていても構わない。この絶縁体としては、例えばペプチドβシートやリン脂質膜などを用いることができる。

【0037】

第１電極３５と第２電極３６との間にグラフェン膜３１が設けられている。第１電極３５及び第２電極３６はグラフェン膜３１に電気的に接触している。グラフェン膜３１の表面（センサ素子面）は、水溶液１００が供給される流路内に曝露されている。グラフェン膜３１を通じて、第１電極３５と第２電極３６との間に電流が流れることができる。

【0038】

図６（ａ）及び（ｂ）は、グラフェンセンサ３０－１を水溶液に曝露する曝露機構の模式図である。

【0039】

配管５７及び配管６５におけるセンサ搭載部には、図６（ａ）に示すように、窓５００が開けられており、窓５００の外周にはパッキン５１０が形成されている。グラフェンセンサ３０－１はカートリッジ基板６０１に実装された形態となっている。

【0040】

図６（ｂ）に示すように、グラフェンセンサ３０－１のセンサ素子面を窓５００の部分に対向させて設置するとパッキン５１０によって気密にされて、センサ素子面が配管５７、６５内に露出した状態となる。このような形態とすることにより、グラフェンセンサ３０－１を交換部品や消耗部品として、配管５７、６５のセンサ搭載部に着脱することが可能となる。

【0041】

なお、前述したゲート配線Ｇは、グラフェンセンサ３０－１の近傍で水溶液１００に接触していればよいため、必ずしもグラフェンセンサ３０－１上に形成しなくてもよい。例えば、グラフェンセンサ３０－１とは別の素子上に形成して、グラフェンセンサ３０－１と同様に配管の窓５００から配管内に露出させて水溶液１００に接触させてもよいし、配管内部に直接作り込んでしまっても構わない。

【0042】

次に、本実施形態のケミカルセンサモジュール１を用いた検体物質の識別方法について説明する。

【0043】

検体雰囲気が、吸気配管５０から分岐した各配管５１を介して、第１乃至第ｎの混合機構１０－１～１０－ｎに等量供給される。また、第１乃至第ｎの混合機構１０－１～１０－ｎに、第１乃至第ｎの水溶液タンク４１－１～４１－ｎから第１乃至第ｎの水溶液が供給される。第１乃至第ｎの水溶液は、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が異なる。すなわち、第１乃至第ｎの混合機構１０－１～１０－ｎにおいて、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が異なる第１乃至第ｎの水溶液に、検体雰囲気中に含まれる同じ検体物質が等量混合される。

【0044】

そして、第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎを、第１乃至第ｎの水溶液に曝露する。第１乃至第ｎの水溶液は、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が異なる。これらイオン濃度の違いによる、第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎの電気特性の違いから、検体物質を識別することができる。

【0045】

検体物質は、例えばイオンである。第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎによれば、第１乃至第ｎの水溶液中のリン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度の違いにより、例えば、検体物質の電荷と、価数と、共役二重結合の有無と、の少なくとも１つを識別することができる。

【0046】

リン酸イオン、マグネシウムイオン、及び硫酸イオンは、多価イオンであり、グラフェンとの親和性が高く、水溶液中でグラフェンの表面に吸着、結合、または近接し、グラフェンの電気的特性（例えばドレイン電流）を変化させる。そして、それらリン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンのグラフェンに対する吸着、結合、または近接が、検体物質のグラフェンに対する吸着、結合、または近接と競合して、検体物質をマスキングしていると考えられる。

【0047】

以下、本願の発明者らが行った実験結果について説明する。
以下に説明する図７～図１２の各グラフにおける横軸は時間を表し、図１３～図１７、図１９の各グラフにおける横軸は濃度を表し、図７～図１７、図１９の各グラフにおける縦軸はドレイン電流変化率（初期のドレイン電流値に対する経時変化後のドレイン電流値の比率）を表す。

【0048】

図７は、２－フェニルエチルアミン（以下、単にＰＥＡと表す場合もある）の、１ｍＭのリン酸緩衝液中での応答を表すグラフである。

【0049】

図７の結果より、ＰＥＡの濃度に依存して明瞭なドレイン電流の応答が見られる。この理由として、２つの理由が考えられる。１つは、カチオンであるＰＥＡの添加によるリン酸緩衝液のｐＨの変動である。もう１つは、ＰＥＡ分子のグラフェン表面への吸着、結合、または近接の検出である。これを検証するため、ＮａＯＨのリン酸緩衝液中での応答を確認した。

【0050】

図８は、ＮａＯＨの、１ｍＭのリン酸緩衝液中での応答を表すグラフである。

【0051】

リン酸緩衝液の中でＮａイオンがカチオンとしてｐＨを調整している。図７に示すＰＥＡの応答の原因がカチオンであるＰＥＡによるｐＨの変動であるとすると、１ｍＭのリン酸緩衝液へのＮａＯＨの添加で図７と同様の応答をするはずである。しかしながら、図８の結果より、ＮａＯＨの添加にまったく応答していないことから、図７に示すＰＥＡの応答は、ｐＨの変動ではなく、グラフェンセンサがＰＥＡ分子を検出したためであることを示唆している。

【0052】

図９は、各種イオンのリン酸緩衝液中での応答を表すグラフである。１ｍＭのリン酸緩衝液に、１０μＭの２－フェニルエチルアミン、１０μＭのアルギニンアミド、１０μＭのペリリック酸、１０μＭの安息香酸をそれぞれ添加した。

【0053】

ここで、２－フェニルエチルアミン、アルギニンアミド、ペリリック酸、安息香酸は、中性付近の水溶液中でイオンとして解離した際に、それぞれ、図２２（ａ）～（ｄ）に示す分子構造を持っている。図２２（ａ）～（ｄ）において、破線で示す部分は、二重結合のπ電子が非局在化する範囲である。上記４つのイオンはいずれも非局在化した共役二重結合を持っている。

【0054】

図９の結果より、イオン種によって検出感度が異なる。カチオンである２－フェニルエチルアミンとアルギニンアミドは検出され、アニオンであるペリリック酸と安息香酸は検出されない。カチオンとグラフェンとの間には、カチオン－Π相互作用が働き、アニオンに比べて、グラフェンに吸着、結合、または近接しやすいと考えられる。

【0055】

図１０は、２－アミノエタノール（別名モノエタノールアミン、以下、単にＭＥＡと表す場合もある）の１ｍＭのリン酸緩衝液中での応答を表すグラフである。

【0056】

２－アミノエタノールはカチオンである。図１０の結果より、カチオンでも検出されないものがある。２－アミノエタノールの中性付近の水溶液中での分子構造は、図２２（ｅ）に示すようになっていて、π電子の非局在化は起こっていない。図９の実験により検出された２－フェニルエチルアミンとアルギニンアミドはいずれも共役二重結合をもつため、グラフェンとの間でカチオン－Π相互作用に加えてΠ－Π相互作用が生じ、グラフェンに吸着、結合、または近接しやすい。図１０の実験により検出されなかった２－アミノエタノールは共役二重結合をもたないため、２－フェニルエチルアミンとアルギニンアミドに比べると、グラフェンとの吸着、結合、または近接する能力は、カチオン－Π相互作用だけとなり、弱くなる。

【0057】

図９の実験により検出されなかったペリリック酸と安息香酸は、共役二重結合を持っているが、カチオンではないため、カチオン－Π相互作用がない分だけ、グラフェンに吸着、結合、または近接しにくいと考えられる。

【0058】

水溶液中でのグラフェンに対する吸着、結合、または近接において、リン酸イオンと他のイオンとが競合しているのではないかと考え、リン酸イオンに対する応答を確認した。

【0059】

図１１は、リン酸（Ｈ_３ＰＯ_４）の、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液中での応答を表すグラフである。リン酸の影響を読み取るため、リン酸イオンを含まないＨＥＰＥＳ緩衝液を用いた。

【0060】

図１１の結果より、リン酸イオンに対して強い応答が検出された。これにより、リン酸緩衝液中でのイオン（検体物質）の検出の際には、リン酸イオンとの競合によってイオン（検体物質）の応答が鈍っている可能性があることが判明した。

【0061】

図１２は、安息香酸の１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液中での応答を表すグラフである。

【0062】

図１２の結果より、リン酸イオンがないＨＥＰＥＳ緩衝液中では、安息香酸も明瞭な応答を示す。

【0063】

図１３～図１７は、各種イオンのリン酸緩衝液中での応答のリン酸濃度の依存性を表すグラフである。

【0064】

図１３は、アルギニンアミドの、１ｍＭと１００ｍＭのリン酸緩衝液に対する応答を表すグラフである。横軸がアルギニンアミドの濃度であり、１ｕＭと１０ｕＭで実験を行っている。

【0065】

図１４は、２－フェニルエチルアミンの、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液（図中にはリン酸濃度０ｍＭと表記）と、１ｍＭ、１０ｍＭ、１００ｍＭのリン酸緩衝液に対する応答を表すグラフである。横軸が２－フェニルエチルアミンの濃度であり、１０ｎＭから１０ｕＭの範囲で実験を行っている。

【0066】

図１５は、２－アミノエタノールの、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液（図中にはリン酸濃度０ｍＭと表記）と、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に１０ｕＭのリン酸を添加したもの（図中にはリン酸濃度０．０１ｍＭと表記）と、１ｍＭのリン酸緩衝液に対する応答を表すグラフである。横軸が２－アミノエタノールの濃度であり、１０ｎＭから１０ｕＭの範囲で実験を行っている。

【0067】

図１６は、安息香酸の、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液（図中にはリン酸濃度０ｍＭと表記）と、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に１０ｕＭのリン酸を添加したもの（図中にはリン酸濃度０．０１ｍＭと表記）と、１ｍＭのリン酸緩衝液に対する応答を表すグラフである。横軸が安息香酸の濃度であり、１０ｎＭから１０ｕＭの範囲で実験を行っている。

【0068】

図１７は、クエン酸の、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液（図中にはリン酸濃度０ｍＭと表記）と、１ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に１０ｕＭのリン酸を添加したもの（図中にはリン酸濃度０．０１ｍＭと表記）と、１ｍＭのリン酸緩衝液に対する応答を表すグラフである。横軸がクエン酸の濃度であり、１０ｎＭから１０ｕＭの範囲で実験を行っている。

【0069】

図１８は、以上の実験結果をまとめた表である。

【0070】

図１８の結果より、リン酸イオンを含まないＨＥＰＥＳ緩衝液では、カチオン、アニオンともに共役二重結合の有無を問わず検出されている。結果は示さないが、電荷を持たない親水性化合物、例えば等電点が中性付近にあるアミノ酸のような双性イオンなどは、グラフェンＦＥＴでは検出しにくいことが分かっており、この結果は、リン酸イオンを含まない溶媒を用いることにより、親水性化合物の電荷の有無を識別できることを示唆している。

【0071】

また、リン酸イオン１０ｕＭを添加したＨＥＰＥＳ緩衝液では、共役二重結合を持たないアニオンであるクエン酸が検出されず、共役二重結合を持つアニオンである安息香酸と、共役二重結合を持たないカチオンである２－アミノエタノールはともに検出された。また、共役二重結合を持つカチオンである２－フェニルエチルアミンとアルギニンアミドは、より高いリン酸イオン濃度のリン酸緩衝液中でも、ドレイン電流変化率として１％を超える強い信号として検出できていることより、リン酸イオン濃度１０ｕＭでも検出できることは推定できる。

【0072】

また、リン酸イオン濃度が１ｍＭとなる１ｍＭリン酸緩衝液においては、前記安息香酸も２－アミノエタノールも検出されず、共役二重結合を持つカチオンである２－フェニルエチルアミンとアルギニンアミドだけが検出された。さらに、リン酸イオン濃度が１ｍＭ以上のリン酸緩衝液を用いた場合には、共役二重結合をもつカチオンの中でも価数が１の２－フェニルエチルアミンよりも２のアルギニンアミドの方がドレイン電流の変化率が高かった。したがって、電荷の正負（カチオンとアニオン）、共役二重結合の有無、検体物質の価数を識別することができる。

【0073】

本実施形態によれば、リン酸イオン濃度の異なる第１乃至第ｎの水溶液（例えばリン酸緩衝液あるいはＨＥＰＥＳ緩衝液など）に同じ検体物質を等量混合し、その第１乃至第ｎの水溶液に第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎを曝露し、第１乃至第ｎの水溶液の違い（リン酸イオン濃度の違い）によるグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎの電気特性の違いから検体物質を識別することができる。

【0074】

なお、複数のグラフェンセンサを用いることに限らず、１つのグラフェンセンサを用いて、第１乃至第ｎの水溶液への曝露をｎ回行い、ｎ回の電気特性測定を行ってもよい。

【0075】

ＨＥＰＥＳ緩衝液に硫酸マグネシウムを添加したところ、リン酸緩衝液を用いた場合と同等かそれ以上に、２－フェニルエチルアミンに対する強いマスキング効果が見られた。

【0076】

図１９は、２－フェニルエチルアミンのＨＥＰＥＳ緩衝液中での応答を表すグラフである。横軸は、２－フェニルエチルアミンの滴下濃度を表す。縦軸は、ドレイン電流変化率（初期のドレイン電流値に対する経時変化後のドレイン電流値の比率）を表す。

【0077】

マグネシウムイオンと硫酸イオンのいずれかがマスキングしているのかを調べるため、硫酸マグネシウムと塩化マグネシウムと硫酸ナトリウムを、それぞれ２ｍＭのＨＥＰＥＳ緩衝液に添加して実験した。

【0078】

図１９の結果より、ＨＥＰＥＳ緩衝液がマグネシウムイオンを含んでいるときに２－フェニルエチルアミンに対する顕著なマスキング効果が得られる。また、硫酸イオンも若干のマスキング効果を示すことが確認できた。マグネシウムイオンも硫酸イオンも２価のイオンであり、イオン強度が高いことがマスキング効果に影響しているものと推定される。

【0079】

したがって、マグネシウムイオンまたは硫酸イオンの濃度の異なる第１乃至第ｎの水溶液（例えばＨＥＰＥＳ緩衝液）に同じ検体物質を等量混合し、その第１乃至第ｎの水溶液に第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎを曝露し、第１乃至第ｎの水溶液の違い（マグネシウムイオンまたは硫酸イオンの濃度の違い）によるグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎの電気特性の違いから検体物質を識別することができる。

【0080】

その他、水溶液は、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンのような多価イオン以外に、共役二重結合をもつアニオンとカチオンのいずれかを含むものであってもよい。共役二重結合をもつイオンは、グラフェンとの間にΠ－Π相互作用が働くため、検体物質に対するマスキング効果が期待できる。

【0081】

ケミカルセンサモジュールの変形例１について、図２０を用いて説明する。図２０は、変形例１のケミカルセンサモジュールの概略構成図である。

【0082】

混合機構１０－０は、取り込み溶液タンク４１－０から供給される取り込み溶液と、吸気配管５０から吸気される検体雰囲気とを混合し、第１乃至第ｎの混合機構１０－１～１０－ｎに供給する。例えば、取り込み溶液はリン酸イオンとマグネシウムイオンと硫酸イオンとを含まない緩衝溶液あるいは純水である。

【0083】

第１乃至ｎの水溶液タンク４１－１～４１－ｎは、リン酸イオンとマグネシウムイオンと硫酸イオンのいずれかの濃度が異なる緩衝溶液をそれぞれ第１乃至第ｎの混合機構１０－１～１０－ｎに供給する。第１乃至第ｎの混合機構１０－１～１０－ｎは、それぞれ、検体雰囲気を取り込んだ取り込み溶液と、第１乃至第ｎの水溶液タンク４１－１～４１－ｎから供給される緩衝液とを混合し、この混合液を第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎに供給する。なお、緩衝液の溶媒は、水溶性有機溶媒であってもよい。

【0084】

第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎに曝露される溶液は、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が異なる。変形例１においても、第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎの電気特性の違いから、検体物質を識別することができる。

【0085】

ケミカルセンサモジュールの変形例２について、図２１を用いて説明する。図２１は、変形例２のケミカルセンサモジュールの概略構成図である。

【0086】

変形例２では、混合機構１０－０は第１の混合機構１０－１にのみ検体雰囲気を取り込んだ取り込み溶液を供給する。第ｍのグラフェンセンサ１０－ｍ（ｍは、１以上ｎ－１以下の自然数）は、計測済みの溶液を第ｍ＋１の混合機構１０－ｍ＋１に供給する。第ｎのグラフェンセンサ３０－ｎは、計測済みの溶液を排液配管６５に排出する。

【0087】

変形例２のケミカルセンサモジュールは、混合機構１０－０において取り込み溶液中に検体雰囲気を取り込んだ後、第１の混合機構１０－０による第１の水溶液添加と第１のグラフェンセンサ３０－１による計測、第２の混合機構１０－２による第２の水溶液の追加添加と第２のグラフェンセンサ３０－２による再計測、以下、第３、第４と連続的にイオンの添加とセンサ計測を繰り返す。第１乃至第ｎの水溶液タンク４１－１～４１－ｎ中の水溶液に含まれるリン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオン濃度は同じであっても異なっていてもよい。

【0088】

第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎに曝露される溶液は、リン酸イオン、マグネシウムイオン、または硫酸イオンの濃度が異なる。変形例２においても、第１乃至第ｎのグラフェンセンサ３０－１～３０－ｎの電気特性の違いから、検体物質を識別することができる。

【0089】

以上、気相中の標的物質イオン（検体物質）を液相に取り込んで検出する実施形態に関して、説明したが、検体物質の捕集は気相からに限られるものではない。例えば、固体表面や内部に付着や浸透した検体物質であっても構わないし、液中に溶解する検体物質であっても構わない。

【0090】

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されることが可能であり、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ともに、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】

【0091】

１…ケミカルセンサモジュール、１０－１～１０－ｎ…混合機構、３０－１～３０－ｎ…グラフェンセンサ、３１…グラフェン膜、４１－１～４１－ｎ…水溶液タンク

【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】

【図20】

【図21】

【図22】