JP7158969B2 - 有機物プローブおよび分子検出装置 - Google Patents

Description

実施形態は、有機物プローブおよび分子検出装置に関する。

家庭用の温水器などには、不完全燃焼を起こした際に発生する一酸化炭素を検出する装置が取り付けてあり、早い段階で危険性を知らせてくれる。このようなガス成分は人体に重大な影響を与える。ＬＰガス安全委員会の指針によれば、一酸化炭素の濃度がおおよそ２００ｐｐｍ（百万分の１）程度になると頭痛を引き起こすとされている。比較的濃度が高いガス成分を検出する方法としては種々の方法が知られているが、極低濃度に相当するｐｐｂ（十億分の１）からｐｐｔ（一兆分の１）の濃度では検出方法が限られている。

災害現場やテロ行為が行われた現場において、極めて微量のガス成分を検出することで、事前に危険性を察知することが求められている。極低濃度のガス成分は、研究施設内の大型機器を利用して検出する場合が多い。このような場合、ガスクロマトグラフィーや質量分析計のような高価で重量と容積の大きな設置型装置が必要となる。このような点から、極低濃度のガス成分をリアルタイムに検出することが可能な装置、すなわち重量や容積が小さくて携帯性に優れると共に、ｐｐｔからｐｐｂオーダーの極低濃度のガス成分を選択的にかつ高感度に検出することが可能な検出装置が求められている。

主にテロ行為を画策してホームメードの爆薬を運搬する人は、ソフトターゲットと呼ばれる一般市民を巻き込む形でテロを実行する。このため、人が混雑する空港、駅、展覧会場などの場所において、有効性が高く小型で携帯性に優れた検出装置が求められている。常に見える形で警戒することで高い抑止効果をもたらすことができる。

爆薬は密閉された状態であってもわずかながら揮発性の爆薬成分を放出しており、これを訓練された警察犬などの検出体によって発見することが空港などの現場においては一般的である。これは抑止の観点からは効果が高いが、動物を利用した対処法はコストが高く、加えて常に正確性を確保するのが難しい。

検出精度が高い携帯性の検出装置を実現するために、ナノチューブやナノワイヤ上に、芳香性ニトロ成分と検出面に表面修飾されたアミン成分との間で電荷移動錯体を形成して対象物を検出する方法が提案されている。

上記検出方法は、爆薬以外にもサリンのような毒物やホルムアルデヒドのような電子たばこの排出成分に加え、税関などで押収される覚醒剤などの薬物も検出可能である。このような対象物はｐｐｍ～ｐｐｂ程度の低濃度で空気中を漂っている。これらの対象物を迅速に検知して、例えば違法な薬物の持ち込みを阻止することが駅や空港などの公共施設などで求められている。

国際公開２０１１／１５４９３９号公報

本発明が解決しようとする課題は、極低濃度のガス成分を選択的にかつ高感度に検出することである。

実施形態の有機物プローブは、第１の有機物プローブと、第２の有機物プローブと、を具備する。第１および第２の有機物プローブのそれぞれは、プリン構造、ピリミジン構造、またはトリアジン構造を有するヘッド部と、基材に結合するベース部と、ヘッド部とベース部とを結合する結合部と、を有する有機化合物を具備する。ベース部は、１価の多環芳香族炭化水素基を有する。第１の有機物プローブと第２の有機物プローブは、結合されている。第２の有機物プローブは、第１の有機物プローブと異なる構造を有する。

分子検出装置を示すブロック図である。 分子検出装置の他の例を示すブロック図である。 分子検出装置における検出器の構成を示す図である。 分子検出装置による対象物の検出波形の一例を示す図である。 分子検出装置による複数の検出セルの一例を示す図である。 複数の検出セルによる対象物の検出結果の一例を示す図である。 有機物プローブに用いられる有機化合物の例を示す図である。 検出素子の他の例を示す図である。 分子検出装置における情報処理部を示す図である。

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、各部の厚さの比率などは現実の構成部位とは異なる場合がある。

図１は実施形態の分子検出装置を示すブロック図である。図１に示す分子検出装置１は、例えばガス発生元から発生する対象ガス３から対象分子２を検出する装置であり、検出器１０と識別器２０とを備える。対象分子２を含む対象ガス３は、まず分子検出装置１の検出器１０に送られる。ここで、対象ガス３は対象分子２に類似する分子量や分子構造など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２は図２に示すように、におい成分や微粒子などの様々な夾雑物４（４ａ、４ｂ）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、対象ガス３は図２に示すように、予めフィルタ装置５や分子分配装置６などで前処理した後に、分子検出装置１の検出器１０に送るようにしてもよい。

前処理装置のうちのフィルタ装置５には、一般的な中高性能フィルタなどが用いられる。フィルタ装置５において、対象ガス３中に含まれる微粒子などの粒子状物質が除去される。フィルタ装置５で粒子状物質が除去された対象ガス３は、分子分配装置６に送られる。分子分配装置６としては、対象ガス３をイオン化してイオン化物質群とし、イオン化物質群に電圧を印加して質量に比例する速度で飛行させ、この質量差による飛行速度およびそれに基づく飛行時間を利用して、イオン化物質群から対象分子２のイオン化物質を分離する装置が例示される。このような分子分配装置６としては、イオン化部、電圧印加部、および飛行時間分離部を備える装置が用いられる。

対象分子２を含む対象ガス３は、直接もしくはフィルタ装置５や分子分配装置６などの装置で前処理された後に検出器１０に導かれる。検出器１０は、図３に示すように、複数の検出セル１０１に区画された検出面を備える。なお、図３は検出器１０の検出面１０Ａを分子分配装置６の端部６ａに向けて配置した状態を示しているが、検出器１０の配置はこれに限られない。複数の検出セル１０１は、それぞれセンサー１１およびセンサー１１に設けられた有機物プローブ１２を有する検出素子１３を備える。図３はセンサー１１にグラフェン電界効果トランジスタ（ＧＦＥＴ）を用いた検出素子１３を示している。センサー１１はＧＦＥＴに限定されず、カーボンナノチューブを用いた電界効果トランジスタ、弾性表面波センサーなどであってもよい。

ＧＦＥＴは、ゲート電極１４としての機能を有する半導体基板と、ゲート電極１４上にゲート絶縁層１５としての機能を有する絶縁膜と、ゲート絶縁層１５上にチャネル形成領域としての機能を有するグラフェン層１６と、グラフェン層１６の一端に設けられたソース電極１７と、グラフェン層１６の他端に設けられたドレイン電極１８とを備える。グラフェン層１６上には、有機物プローブ１２が設けられている。有機物プローブ１２には、対象分子２と選択的に結合する有機化合物が用いられる。検出器１０に導かれた対象分子２は、グラフェン層１６上の有機物プローブ１２に捕捉される。若干の不純物は有機物プローブ１２との間で相互作用を得られず、検出素子１３には捕捉されない。有機物プローブ１２に捕捉された対象分子２からＧＦＥＴに電子が移動することで電気的な検出が行われる。これによって、目的とする対象分子２を選択的に検出する。

有機物プローブ１２を構成する有機物は溶剤に溶ける性質を有するため、溶剤に溶かした溶液として塗布することでグラフェン層１６に有機物プローブ１２を設置することができる。有機物プローブ１２はグラフェンと相互作用を得られやすくするために、ピレン環のような構造を有した部位を有することが好ましい。ピレン環のような構造を有する分子はグラフェンの炭素が構成する六角形状のπ電子系と相互作用を持ち、いわゆるπ―πスタッキングと呼ばれる相互作用状態を形成する。低濃度のプローブ分子を溶媒に溶かしてグラフェンに塗布すると、ピレン環とグラフェンとの間でπ―πスタッキングが形成され、グラフェン上にプローブ分子が整列して固定化される。このような自己配列作用を利用してグラフェン層１６上に有機物プローブ１２を設置することができる。なお、有機物プローブ１２を構成する有機化合物については、後に詳述する。

グラフェン層１６上に設けられた有機物プローブ１２に対象分子２が捕捉されると、ＧＦＥＴの出力が変化する。グラフェンが１層の場合にはゼロギャップとなっているため、通常はソース電極１７とドレイン電極１８との間に電気が流れ続けている。グラフェンの層数が２層、３層と増えるとバンドギャップが生じるが、厳密な理論値から考えられるよりも実際の系ではバンドギャップが比較的小さい。ゲート絶縁層１５がシリコン酸化膜程度の誘電率の場合には、ソース電極１７とドレイン電極１８との間に電気が流れ続けることが多い。従って、グラフェン層１６はグラフェンの単層構造に限らず、５層以下程度のグラフェンの積層体で構成してもよい。

有機物プローブ１２の近傍に飛来した対象分子２は、水素結合の力により有機物プローブ１２に引き付けられて、場合によっては接触する。対象分子２の接触が起こると、有機物プローブ１２との間で電子のやり取りが発生し、有機物プローブ１２が接しているグラフェン層１６に電気的変化を伝える。有機物プローブ１２からグラフェン層１６に伝えられた電気的な変化は、ソース電極１７とドレイン電極１８との間の電気の流れを乱すため、ＧＦＥＴがセンサー１１として機能する。

グラフェン層１６を用いたＧＦＥＴによれば、極僅かな電気変化であっても顕著に出力として現れる。従って、高感度な検出素子１３を構成することができる。ＧＦＥＴを用いたセンサー１１は、グラフェンがゼロギャップ半導体としての性質を有することから、ゲート電極１４に電圧を加えなくともソース電極１７とドレイン電極１８との間に電流が流れる傾向もみられる。このままでもセンサー１１として機能するが、通常はゲート電極１４に電圧を加えた状態でソース電極１７とドレイン電極１８との間に電流を流し、有機物プローブ１２で対象分子２を捕捉した際のゲート電極１４の電気的変化を観測する。

図４は分子検出装置１による対象分子２の検出波形の一例を示している。有機物プローブ１２が対象分子２を捕捉すると、検出波形に図４に示すような変化が現れる。検出波形の信号強度への変換は種々の方法が考えられるが、例えば図４におけるＰ１とＰ２、およびピークの先端であるＰ３との面積から算出した値を強度として設定する。ただし、必ずしもこの方法に限定されない。

上記した検出素子１３による対象分子２の検出において、有機物プローブ１２に捕捉された対象分子２からＧＦＥＴへの電子の移動が高いほどセンサー１１としての機能が高くなる。ＧＦＥＴを用いたセンサー１１は、最も高感度なＦＥＴセンサーとされており、カーボンナノチューブを用いたセンサーと比べて３倍ほど感度を向上させることができる。従って、ＧＦＥＴと有機物プローブ１２とを組み合わせた検出素子１３を用いることによって、対象分子２の高感度な検出が可能になる。

図５は検出器１０の検出面１０Ａを６つの検出セル、すなわち検出セルＡ、検出セルＢ、検出セルＣ、検出セルＤ、検出セルＥおよび検出セルＦに分割した６角格子状センサーを示している。検出セルＡ～Ｆのうち、少なくとも一部には種類が異なる有機物プローブ１２、すなわち対象分子２との結合強度が異なる複数の有機物プローブ１２が設けられている。複数の有機物プローブ１２は、それぞれ対象分子２と相互作用するが、対象分子２との結合強度が異なるため、強度が異なる検出信号が出力される。検出セルＡ～Ｆからの検出信号は、それぞれ有機物プローブ１２の対象分子２との結合強度により信号強度が異なっている。

検出セルＡ～Ｆで検出された信号は、識別器２０に送られて信号処理される。識別器２０は、検出セルＡ～Ｆからの検出信号を強度に変換し、これら検出信号の強度差に基づく信号パターン（例えば図６に示す６つの検出信号のパターン）を解析する。識別器２０には、検出する物質に応じた信号パターンが記憶されており、これら信号パターンと検出セルＡ～Ｆで検出された信号パターンとを比較することによって、検出器１０で検出された対象分子２の識別が行われる。このような信号処理を、ここではパターン認識法と呼ぶ。パターン認識法によれば、例えば指紋検査のように対象物特有の信号パターンにより対象分子２を検出および識別することができる。従って、ｐｐｔからｐｐｂオーダーの極低濃度のガス成分（対象分子２）を選択的にかつ高感度に検出することができる。

上述したパターン認識法を適用することによって、検出器１０に導かれる対象ガス３に不純物が混入しているような場合においても、対象分子２を選択的にかつ高感度に検出および識別することができる。例えば、対象分子２が有毒な有機リン化合物の代表的な材料であるメチルホスホン酸ジメチル（ＤＭＭＰ、分子量：１２４）の場合、化学的な構造が近いジクロルボスのようなリン酸を有する農薬、さらにマラチオン、クロルピリホス、ダイアジノンのような使用例が多い有機リン系農薬が存在する。これらの物質の誤検知を防ぐためには、図６に示すような信号パターンにより識別するのが有効である。すなわち、上述した各物質により検出セルＡ～Ｆで検出される信号パターンが異なるため、パターン認識法を適用することで、分子量が近く、また構成元素も似通っている不純物が混入していても、検出対象の物質を選択的にかつ高感度に検出することができる。これは対象分子２が不正薬物のメタンフェタミンに類似する化合物の代表的な材料であるＮ－メチル－２－フェニルエチルアミン（ＮＭＰＡ、分子量：１３５）の場合でも、適切な有機物プローブを選択することでＤＭＭＰと同様に信号パターンによる識別が可能となる。

次に、分子検出装置１の複数の検出セルＡ～Ｆに用いられる有機物プローブ１２について説明する。図７は、有機物プローブを構成する有機化合物の例を示す図である。図７は、有機化合物１００Ａ～１００Ｆを示す。有機化合物１００Ａは、１，１，1，３，３，３－ヘキサフルオロ－２－フェニル－２－プロパノール構造を有する。有機化合物１００Ｂは、チアヌル酸構造を有する。有機化合物１００Ｃは、チミン（Ｔ）構造を有する。有機化合物１００Ｄは、アデニン（Ａ）構造を有する。有機化合物１００Ｅは、シトシン（Ｃ）構造を有する。有機化合物１００Ｆは、グアニン（Ｇ）構造を有する。

有機化合物１００Ａは、対象分子２に対する反応基としてヒドロキシ基（－ＯＨ）やアミノ基（－ＮＨ）を有する。これに対し、対象分子２が不正薬物、違法薬物などの薬物であり、特に覚醒剤成分であるアンフェタミンやメタンフェタミンなどのアミン誘導体化合物を含む場合、ヒドロキシ基（－ＯＨ）やアミノ基（－ＮＨ）に代えてアミド基（－ＮＨ－Ｃ＝Ｏ）を有する有機化合物が好ましい。アミド基はアミン誘導体化合物のアミン基と作用する。特に環状アミド構造を有する有機化合物は、アンフェタミン構造やメタンフェタミン構造のアミン基との作用効果が高く、アンフェタミンやメタンフェタミンを良好に捕捉することができる。よって、チアヌル酸構造、チミン（Ｔ）構造、シトシン（Ｃ）構造、グアニン（Ｇ）構造は、アミン誘導体化合物を有する対象分子２の検出に好適である。

有機物プローブ１２の構成についてさらに説明する。有機物プローブ１２は、ヘッド部ＨＳと、グラフェン層１６などに対する設置部位となるベース部ＢＳと、ヘッド部ＨＳとベース部ＢＳとを結合する結合部ＣＳと、を備える。

ヘッド部ＨＳは、前述の通りアデニン（Ａ）構造やグアニン（Ｇ）構造などのプリン構造、チミン（Ｔ）構造やシトシン（Ｃ）構造などのピリミジン構造、またはチアヌル酸構造などのトリアジン構造を有することが好ましい。アデニン（Ａ）構造またはグアニン（Ｇ）構造は、カルボニル基またはアミン基を有する。チミン（Ｔ）構造またはシトシン（Ｃ）構造は、カルボニル基およびアミン基を有する。シアヌル酸構造は、カルボニル基およびアミン基を有する。プリン構造、ピリミジン構造、またはトリアジン構造を有する場合、有機物プローブ１２は、乾燥状態であることが好ましい。

ベース部ＢＳは、ピレン環、アントラセン環、ナフタセン環、フェナントレン環などの多環構造を有する１価の置換または非置換の多環芳香族炭化水素基であることが好ましく、さらに置換または非置換のピレン基であることがより好ましい。

結合部ＣＳは、単結合または二重結合（２価基）であり、アルキル基やアルキレン基であってもよいが、エーテル結合（－Ｏ－）、エステル結合（－Ｃ（＝Ｏ）Ｏ－）、カルボニル結合（－ＣＯ－）、アミド結合（－ＮＨ－ＣＯ－）、イミド結合（－ＣＯ－ＮＨ－ＣＯ－）などの特性基を有する２価の有機基であることが好ましい。有機化合物１００Ａの結合部ＣＳは、（－ＮＨ－ＣＯ－Ｃ_４Ｈ_８－）基を有する。有機化合物１００Ｂの結合部ＣＳは（－Ｃ_６Ｈ_１２－）基を有する。有機化合物１００Ｃ～Ｆの結合部ＣＳは（－Ｃ_５Ｈ_１０－Ｏ－Ｃ_２Ｈ_４－）基を有する。

ベース部ＢＳは、例えばグラフェン層１６等の基材に結合する。ベース部ＢＳは、ピレン環、アントラセン環、ナフタセン環、フェナントレン環などの多環構造を有する１価の置換または非置換の多環芳香族炭化水素基であることが好ましく、さらに置換または非置換のピレン基であることがより好ましい。有機化合物１００Ａ～１００Ｆのベース部ＢＳは、ピレン基を有する。

プリン構造、ピリミジン構造、またはトリアジン構造を有する有機物プローブ１２は、他の有機物プローブ１２と互いに結合されていてもよい。図８は、検出素子１３の他の例を示す図である。なお、センサー１１の構成については図３に示す検出素子１３の構成と同じであるため図３の説明を適宜援用する。

図８に示す検出素子１３は、有機物プローブ１２ａと、有機物プローブ１２ａに結合された有機物プローブ１２ｂと、を有する。有機物プローブ１２ａと有機物プローブ１２ｂは、例えば水素結合などの化学結合で結合されている。

有機物プローブ１２ａと有機物プローブ１２ｂとの組み合わせの例としては、プリン構造を有する有機物プローブ１２ａと上記プリン構造と水素結合で結合されたピリミジン構造を有する有機物プローブ１２ｂとの組み合わせ、トリアジン構造を有する有機物プローブ１２ａと上記トリアジン構造と水素結合で結合されたプリン構造またはピリミジン構造を有する有機物プローブ１２ｂとの組み合わせ、トリアジン構造を有する有機物プローブ１２ａと上記トリアジン構造と水素結合で結合されたトリアジン構造を有する有機物プローブ１２ｂとの組み合わせなどが挙げられる。なお、これに限定されず、３種以上の有機物プローブ１２が結合されていてもよい。

チミン構造（Ｔ）を有する有機物プローブ１２ａとアデニン（Ａ）構造を有する有機物プローブ１２ｂとの組み合わせや、シトシン（Ｃ）構造を有する有機物プローブ１２ａやグアニン構造（Ｇ）を有する有機物プローブ１２ｂとの組み合わせは、デオキシリボ核酸（Ｄｅｏｘｙｒｉｂｏｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ：ＤＮＡ）の塩基配列と同様に、互いに結合することで安定化を図るペア構造を形成する。

チミン（Ｔ）構造とアデニン（Ａ）構造とのペア構造（Ｔ－Ａ構造）やシトシン（Ｃ）構造とグアニン（Ｇ）構造とのペア構造（Ｃ－Ｇ構造）を有する有機物プローブ１２ａおよび有機物プローブ１２ｂは、対象分子２と接触すると、単独での有機物プローブ１２とは対象分子２との結合状態が変わり、プローブ自体の分極変化も異なる。また、対象分子２が有機物プローブ１２ａと有機物プローブ１２ｂとの間に位置し、プローブ同士の結合部が対象分子２との干渉により開裂する場合も単独での有機物プローブ１２とは対象分子２との結合状態が変わり、プローブ自体の分極変化も異なる。これにより、有機物プローブ１２を単独で用いる場合とは異なる信号パターンを得ることができるため、対象分子２を識別するための信号パターンの種類を増やすことができる。また、例えば有機物プローブ１２ａおよび有機物プローブ１２ｂの一方のプローブが対象分子２と相互作用する場合に他方のプローブの分極状態も変化するため、有機物プローブ１２を単独で用いる場合よりも検出感度を高めることができる。

分子検出装置１で得られた対象分子２の検出および識別結果は、情報ネットワークを介して送信して活用するようにしてもよい。図９は対象分子２の検出情報を情報ネットワークを介して送信する機能、および検出情報と情報ネットワークから取得する参照情報とを照合する機能から選ばれる少なくとも１つを備える情報処理部３０が付属または内設された分子検出装置１を示している。情報処理部３０は、対象分子２の検出情報を送信する情報送信部３１と、参照情報を受信する情報受信部３２と、検出情報を参照情報と照合する情報照合部３３とを具備している。情報処理部３０は、情報送信機能と情報受信および照合機能のうちの一方のみを有していてもよい。

対象分子２の検出情報は、情報送信部３１からネットワークＮを介して情報利用者に伝達される。また、対象分子２の検出情報を既存の参照情報と照合するために、ネットワークＮを介して情報受信部３２により参照情報を取得する。取得した参照情報は、情報照合部３３により検出情報と照合される。情報を外部のネットワークＮから取得して参照することで、多くの情報を持ち歩いて解析する機能を外部に代替できるため、分子検出装置１を小型化して携帯性を高めることができる。さらに、ネットワークＮを利用することで、パターン認識法における新たな信号パターンを即時に取得することもできる。情報を受信した側では、この情報を基に次の行動を起こすことができる。携帯型の分子検出装置１を各所に配置しておき、得られるデータを各所から集めて分析し、異常事態の避難誘導などに役立てるといった使い方ができる。ネットワークＮと分子検出装置１とを結合することで、従来では達し得なかった多くの使い方が生み出され、産業的な価値が向上する。

実施形態の分子検出装置１によれば、ｐｐｔからｐｐｂオーダーの極低濃度のガス成分分子を選択的にかつ高感度に検出することができる。さらに、検出器１０および識別器２０により検出感度および検出精度を高めることで、分子検出装置１を小型化することができる。従って、携帯性と検出精度とを両立させた分子検出装置１を提供することが可能になる。実施形態の分子検出装置１は、覚醒剤などの薬物を検出する場合にその機能を有効に発揮し得る。

（実施例１）
ＧＦＥＴと有機物プローブとを組み合わせた検出素子を、以下のようにして用意した。グラフェン層は、グラファイトからの剥離法により基板へ転写して形成したり、化学気相成長法（ＣＶＤ）を利用して金属の表面に成長させることにより形成することができる。金属の表面に成長した単層や複数層のグラフェンをポリマー膜に転写して、所望の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）作製用の半導体基板に再度転写した。具体的には銅箔表面に１０００℃程度の条件でメタンガスをフローしたＣＶＤによりグラフェン層を形成した。

次に、ポリメチルメタクリレート膜を、スピンコート法を用いて４０００ｒｐｍで塗布し、反対面の銅箔膜を０．１Ｍの過硫酸アンモニウム溶液でエッチングし、溶液に浮遊したグラフェン膜を回収した。これによりグラフェン膜がポリメチルメタクリレート膜側へ転写される。十分に表面を洗浄した後に、これをシリコン基板上に再度転写した。余分なポリメチルメタクリレート膜は、アセトンにより溶解させて除去した。シリコン基板に転写されたグラフェンには、レジストを塗布してパターニングし、酸素プラズマによって電極間隔１０μｍのパターンを形成した。電極を蒸着してソース電極とドレイン電極を設けたＦＥＴを形成した。シリコン基板表面に形成されている酸化膜上にグラフェンが配置され、グラフェンがソース電極とドレイン電極で挟まれると共に、シリコン基板側をゲート電極とするＧＦＥＴセンサを作製した。この工程は順序を逆にしてもよい、すなわち電極を先に作製して後からグラフェンを転写して加工してもよい。

次に、グラフェンの表面に有機物プローブを設けた。有機物プローブは、メタノール溶液に１０ｎＭの濃度で溶解させて、この中にＧＦＥＴ面を数分間浸漬して設置した。実施例１では、図５に示す検出セルＡに有機化合物１００Ａを有するプローブを設置し、検出セルＢに有機化合物１００Ｂを有するプローブを設置し、検出セルＣに有機化合物１００Ｃを有するプローブを設置し、検出セルＤに有機化合物１００Ｄを有するプローブを設置し、検出セルＥに有機化合物１００Ｅを有するプローブを設置し、検出セルＦに有機化合物１００Ｆを有するプローブを設置した。

次に、対象分子２として前述したＮＭＰＡを用意した。対象分子２については、その蒸気を窒素ガスで約５ｐｐｂの濃度となるように希釈し、この希釈ガスを上記検出素子を備える分子検出装置に送った。ＮＭＰＡ分子は、検出セルＡ～Ｆの有機物プローブにそれぞれ捕捉された。検出セルＡ～Ｆの有機物プローブは、それぞれＮＭＰＡ分子との結合強度が異なるため、ゲート電極に検出される信号もそれぞれ異なる。検出セルで検出した結果を信号処理をする識別器に送り強度に変換した。検出結果を相対的な強度表示として出力した。各強度を表１に示す。

（実施例２）
実施例１と同様の方法でＧＦＥＴセンサーを作製した。さらに、グラフェンの表面に有機物プローブを設けた。有機物プローブは、メタノール溶液に１０ｎＭの濃度で溶解させて、この中にＧＦＥＴ面を数分間浸漬して設置した。実施例２では、図５に示す検出セルＡに有機化合物１００Ａを有するプローブを設置し、検出セルＢに有機化合物１００Ｂを有するプローブを設置し、検出セルＣに有機化合物１００Ｃを有するプローブと有機化合物１００Ｄを有するプローブとを結合させたプローブを設置し、検出セルＤに有機化合物１００Ｅを有するプローブと有機化合物１００Ｆを有するプローブとを結合させたプローブを設置し、検出セルＥに有機化合物１００Ｃを有するプローブと有機化合物１００Ｆを有するプローブとを結合させたプローブを設置し、検出セルＦに有機化合物１００Ｂを有するプローブと有機化合物１００Ｄを有するプローブとを結合させたプローブを設置した。検出セルＣ～Ｆにおける各種プローブの個数割合は互いに同じである。

次に、対象分子２として前述したＮＭＰＡを用意した。対象分子２については、その蒸気を窒素ガスで約５ｐｐｂの濃度となるように希釈し、この希釈ガスを上記検出素子を備える分子検出装置に送った。ＮＭＰＡ分子は、検出セルＡ～Ｆの有機物プローブにそれぞれ捕捉された。セルＡ～Ｆの有機物プローブは、それぞれＮＭＰＡ分子との結合強度が異なるため、ゲート電極に検出される信号もそれぞれ異なる。検出セルで検出した結果を信号処理をする識別器に送り強度に変換した。検出結果を相対的な強度表示として出力した。各強度を表２に示す。

表１および表２からもわかるとおり、実施例１および実施例２の分子検出装置において、ＮＭＰＡ分子に対して特定の信号パターンを得られることがわかる。また、実施例１および実施例２の分子検出装置において、互いに異なる強度の信号パターンを得られることがわかる。

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され、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ことができ、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。

１…分子検出装置、２…対象分子、３…対象ガス、４…夾雑物、５…フィルタ装置、６…分子分配装置、６ａ…端部、１０…検出器、１０Ａ…検出面、１１…センサー、１２…有機物プローブ、１２ａ…有機物プローブ、１２ｂ…有機物プローブ、１３…検出素子、１４…ゲート電極、１５…ゲート絶縁層、１６…グラフェン層、１７…ソース電極、１８…ドレイン電極、２０…識別器、３０…情報処理部、３１…情報送信部、３２…情報受信部、３３…情報照合部、１００Ａ～１００Ｆ…有機化合物、１０１…検出セル。

Claims (11)

1. 第１の有機物プローブと、
   第２の有機物プローブと、を具備し、
   前記第１および第２の有機物プローブのそれぞれは、
   プリン構造、ピリミジン構造、またはトリアジン構造を有するヘッド部と、基材に結合するベース部と、前記ヘッド部と前記ベース部とを結合する結合部と、を有する有機化合物を具備し、
   前記ベース部は、１価の多環芳香族炭化水素基を有し、
   前記第１の有機物プローブと前記第２の有機物プローブは、結合されており、
   前記第２の有機物プローブは、前記第１の有機物プローブと異なる構造を有する、有機物プローブ。
2. 前記第１の有機物プローブは前記プリン構造を含み、
   前記第２の有機物プローブは前記ピリミジン構造を含み、
   前記プリン構造と前記ピリミジン構造は、水素結合によって結合されている、請求項１に記載の有機物プローブ。
3. 前記第１の有機物プローブは前記トリアジン構造を含み、
   前記第２の有機物プローブは前記プリン構造または前記ピリミジン構造を含み、
   前記トリアジン構造と前記プリン構造または前記ピリミジン構造は、水素結合によって結合されている、請求項１に記載の有機物プローブ。
4. 前記プリン構造は、アデニン構造またはグアニン構造を含み、
   前記アデニン構造または前記グアニン構造は、カルボニル基またはアミン基を有する、
   請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の有機物プローブ。
5. 前記ピリミジン構造は、チミン構造またはシトシン構造を含み、
   前記チミン構造またはシトシン構造は、カルボニル基およびアミン基を有する、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の有機物プローブ。
6. 前記トリアジン構造は、シアヌル酸構造を含み、
   前記シアヌル酸構造は、カルボニル基およびアミン基を有する、請求項１に記載の有機物プローブ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の有機物プローブと、
   前記有機物プローブと対象分子が相互作用することで前記対象分子を検出する検出セルと、を具備する、分子検出装置。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の有機物プローブと、
   前記有機物プローブと対象分子が相互作用することで前記対象分子を検出する検出セルと、を具備し、
   前記検出セルは、前記対象分子が前記第１の有機物プローブと前記第２の有機物プローブとの間に位置して水素結合を開裂させることにより前記対象分子を検出する、分子検出装置。
9. 前記対象分子は、アミン誘導体化合物を含む、請求項７または請求項８に記載の分子検出装置。
10. 前記検出セルは、前記有機物プローブが設けられたグラフェンを含むグラフェン層と、前記グラフェン層に接続された電極とを有する電界効果トランジスタを含む、請求項８または請求項９に記載の分子検出装置。
11. 前記検出セルからの検出信号により前記対象分子を識別する識別器をさらに具備する、請求項８ないし請求項１０のいずれか一項に記載の分子検出装置。

Images