(57)【要約】      （修正有）【課題】従来のセンサと比較して応答が速く、感度が高い印刷発色センサを提供する。【解決手段】発色センサ２０は、ある表面上に第１の材料を堆積させ、且つ第１の材料の表面上に検知粒子２４を堆積させており、これらの検知粒子は、多孔性ホスト構造体内に分散された検知種２６を含み、これによって検知粒子の少なくとも一部が周囲環境に暴露される。被検物質がより多くの検知種を活性化し、これにより、良好な発色、高速の応答、及び低い検出限界を得ることが可能となる。【選択図】図２
2020101535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある表面上に堆積される第１の材料と、前記第１の材料の表面上に堆積される検知粒子であって、前記検知粒子は、多孔性ホスト構造体内に分散された検知種を含み、これによって前記検知粒子の少なくとも一部が周囲環境に暴露される、検知粒子とを含む発色センサであって、前記第１の材料は前記検知粒子を前記面へと付着させる、発色センサ。
【請求項２】
前記第１の材料は透明である、請求項１に記載の発色センサ。
【請求項３】
前記第１の材料は硬化性インクで形成される、請求項１に記載の発色センサ。
【請求項４】
前記多孔性ホスト構造体は、少なくとも１００ｍ２／ｇの比表面積を有する、請求項１に記載の発色センサ。
【請求項５】
前記多孔性ホスト構造体はポリマー材料、金属酸化物、又はセラミック材料のうちのいずれか１つである、請求項１に記載の発色センサ。
【請求項６】
被検物質の存在下では、前記検知粒子は色変化し、前記色変化は２００〜４０００ｎｍの波長範囲で起こる、請求項１に記載の発色センサ。
【請求項７】
被検物質の存在下では、前記検知粒子は色変化し、前記色変化は２００〜８００ｎｍの波長範囲で起こる、請求項１に記載の発色センサ。
【請求項８】
前記多孔性ホスト構造体はラジカル架橋ポリマーネットワークを含む、請求項１に記載の発色センサ。
【請求項９】
前記検知種は有機分子、ポリマー、塩、無機錯体、ナノ粒子、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の発色センサ。
【請求項１０】
前記検知種は、被検物質と化学的に反応するという特徴を有する、請求項９に記載の発色センサ。
【請求項１１】
発色センサの形成方法であって、ある基材上に第１の材料を堆積させることと、多孔性検知粒子を提供することであって、前記検知粒子は、多孔性ホスト構造体内に分散された検知種を含む、ことと、前記堆積した第１の材料の表面上に前記多孔性検知粒子を埋め込むことであって、その際、前記第１の材料は、前記検知粒子の少なくとも一部が周囲環境に暴露されるように、前記検知粒子を前記基材へと付着させる、ことと、を含む発色センサの形成方法。
【請求項１２】
前記多孔性検知粒子を散布した後、前記第１の材料の硬化又は乾燥のうちのいずれか一方を行うことにより、堆積パターンを硬化させることを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の材料を堆積させることは、前記パターンをインクで印刷することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記センサの知覚される色変化を増大させるように、前記インク又は前記基材のうちのいずれか一方を選択している、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記多孔性検知粒子を提供することは、多孔性エアロゲルを形成することと、前記多孔性エアロゲルの粉砕か、又は前記多孔性エアロゲルの直接合成のうちの一方を行って、多孔性エアロゲル構造体の粒子を形成することと、前記多孔性エアロゲルに検知種を添加することとを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記多孔性エアロゲルを形成することは、安定フリーラジカル重合、原子移動ラジカル重合、可逆的付加フラグメンテーション連鎖移動、及び連鎖移動剤の使用からなる群から選択される１つの方法によって、前記多孔性エアロゲルを形成することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記検知種を添加することは、前記エアロゲルに前記検知種を注入することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記検知種を添加することは、前記エアロゲルを形成するために使用される前駆体溶液の一部である溶媒中に、前記検知種を配置することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記検知種を添加することは、前記エアロゲルの形成中又は形成後に、前記検知種をエアロゲル壁に化学的にグラフト化することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記エアロゲルは、対象の被検物質を吸着するか、又は他の物質上で前記対象の被検物質を選択的に吸着するかのいずれか１つを行う、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は発色センサに関し、より詳細には、印刷発色センサに関する。
【０００２】
発色センサは、例えば有毒化学物質、熱、冷気、光、病原体、及び化学兵器ガスなどの特定の物質や状態にさらされると色変化する。これらのセンサは、製品の鮮度をモニタできるスマートパッケージング、環境モニタリング、並びに軍事及び産業用途を含むいくつかの市場において、重要な役割を果たすことになる。
【０００３】
これらの用途の多く、とりわけスマートパッケージングにおいて、製品の包装時に、機能的な発色インクを備えるカスタム印刷センサが必要とされている。これらのインクは一般に、特定の物質又は状態を検出するために分散された検知種を含む粒子からなる。図１は、検知粒子を組み込んだ、従来技術による印刷発色センサ１０の実施形態を示す。印刷発色センサ１０は、検知粒子１４がその内部に分散されたポリマーバインダ１２からなる。ポリマーバインダ１２は、印刷後に検知粒子１４を所定の位置に保持する。これらの検知粒子１４は、高密度支持材料１９内に分散された検知種１６を含む。印刷中、ポリマーバインダと、検知分子１６を含む検知粒子１４とを、印刷を行うために溶媒と混合する。印刷後、溶媒蒸発により、検知粒子１４を完全に覆う高密度ポリマー層が生成される。被検物質１８の存在下では、検知種１６は色変化する。この従来技術の構成では、検出を行う際、２つの点で制限されてしまうことになる。第一に、被検物質１８による接近が、高密度ポリマーバインダ１２により減速又は遮断される。第二に、検知種の上面のみが検出される化合物に暴露されるので、分子１８の一部がポリマーバインダ層１２を貫通した後、検出が印刷センサにおいて検知粒子１４の上面に更に制限される。高密度支持材料１９により、当該層（図示せず）のより深部に配置された検知種１６への接近が遮断されるため、被検物質１８は検知種１６に到達しない。
【０００４】
こうした制限により、微量被検物質の応答時間が遅延し、またこれらの検出が不十分となる。こうした制限は、高密度バインダ及び粒子材料を介した被検物質の拡散が遅延した結果である。その結果、センサにおいて人間の目で直接検出するのが困難となるような、わずかな色変化しか得られない。高感度分光器を使用したスペクトル分析でもこの問題に対処できるが、検出システム全体のコスト及び電力要件を増加させ、ひいてはシステムの可搬性を制限することになる。
【０００５】
本明細書に示す態様によれば、ある表面上に第１の材料を堆積させ、且つ第１の材料の表面上に検知粒子を堆積させている発色センサが提供され、この検知粒子は、多孔性ホスト構造体内に分散された検知種を含み、これによって検知粒子の少なくとも一部が周囲環境に暴露され、第１の材料はこの検知粒子を当該面へと付着させる。
【０００６】
本明細書に示す態様によれば、ある基材上に第１の材料を堆積させることと、多孔性検知粒子を提供することであって、この検知粒子は、多孔性ホスト構造体内に分散された検知種を含む、ことと、堆積した第１の材料の表面上に多孔性検知粒子を埋め込むことであって、第１の材料は、これらの検知粒子の少なくとも一部が周囲環境に暴露されるように、これらの検知粒子を基材へと付着させる、こととを含む、発色センサを形成する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来技術による発色センサの一実施形態を示す。
【図２】発色センサの一実施形態を示す。
【図３】鮮明な発色センサの製造に関する一実施形態のフローチャートを示す。
【図４】暴露前の未使用状態にある、鮮明な発色センサの一実施形態を示す。
【図５】異物に暴露された後の、鮮明な発色センサの一実施形態を示す。
【図６】反転剤に暴露された後の、可逆性の鮮明な発色センサの一実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書で使用する場合、「発色」という用語は、特定の材料又は状態にさらされると色変化する物質を意味し、「鮮明な発色センサ」とは、当該材料又は状態にさらされるとその一部が色変化し、その際の色変化が、人間の目で検出できるほど十分顕著であるようなセンサを意味する。色変化とは、光吸収、透過、反射、蛍光、又はりん光の強度若しくは波長の変化を意味し、これは２００〜４０００ナノメートルの近紫外から近赤外にわたる波長、或いは２００〜８００ｎｍの範囲で変化している。
【０００９】
本明細書で使用する場合、「高透明性」という用語及び「透明な」又は「高透明な」などの関連用語は、変色状態で３ミリメートル以上の経路長において、少なくとも２０％以上の可視光線透過率を有する材料を意味する。同様に、「低ヘイズ」という用語は、１ミリメートル当たり１５％よりも低いヘイズの材料を意味する。「多孔性の」、「高多孔性の」、及び「高多孔性」という用語並びにそれらに関連する用語は、材料の多孔性が少なくとも１０％であることを意味する。
【００１０】
本明細書で使用する場合、多孔性ホスト又は多孔性ホスト構造体という用語は、その構造内にボイドを含む材料を意味する。このボイドによって構造体内に気孔が形成され、内部表面積が提供されることになる。
【００１１】
本明細書で使用する場合、「エアロゲル」という用語は、高い多孔性、大きな内部比表面積、及びガス透過性のあるオープンポア構造を備える、想定可能な一種の多孔性ホスト基材材料を意味する。「オープンポア構造」とは、気体又は液体が材料全体に浸透できるように、その材料の大部分にわたって相互接続されている気孔があることを意味する。エアロゲルは、溶液中に、例えば架橋ポリマーゲル、シリカゲル、又は相互接続繊維などのネットワークを形成し、液体を除去し、且つ開放気孔を残存させることにより生成されている。エアロゲルは通常、Ｎ２吸着ポロシメトリーで測定して、５０ｍ２／ｇを超えるブルナウアー・エメット・テラー表面積を有する。一実施形態では、他のホスト構造体のエアロゲル又は他のホスト構造体は、少なくとも１００ｍ２／ｇの比表面積を有する。
【００１２】
本明細書に記載の実施形態は、典型的にはインクを事前堆積させたパターンの表面上に、多孔性検知粒子を堆積させた発色センサを含み、これらの検知粒子の少なくとも一部は、周囲環境に直接暴露されている。この事前堆積パターンを基材などの表面に直接堆積させて、検知粒子を当該表面に付着させてもよい。いくつかの実施形態では、これらの検知粒子は、多孔性ホスト構造体に分散された検知種からなる。一実施形態では、このホスト構造体を、透明且つ低ヘイズであり、表面積が大きく、且つ多孔性のエアロゲルであり得るエアロゲルとすることができる。このエアロゲルは通常、ポリマーエアロゲルを含むが、シリカエアロゲルなどの無機エアロゲルを含んでもよい。他のホスト構造体には、セラミック材料と見なされることもある金属酸化物が含まれる場合がある。適切な金属酸化物ホスト材料には、二酸化ケイ素ＳｉＯ２、酸化アルミニウＡＩ２Ｏ３、酸化スズＳｎＯ２、二酸化チタンＴｉＯ２、及び二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）が含まれる。有機・無機ハイブリッドエアロゲルも同様に適している。これらは通常、エアロゲル形成中に加水分解されないアルキルアルコキシ前駆体を組み込むことにより、得られる。一例として、シリカエアロゲルを作製する場合、適切なアルキルアルコキシ前駆体には、アルキルトリエトキシシラン又はトリメトキシシランが含まれる。これらの例にはメチルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシランなどが含まれる。図２は、印刷された、鮮明な発色センサ２０の一実施形態を示す。このセンサは、基材上の層２２からなる。一実施形態では、層２２は基材上に直接あり、且つこの基材と接触している。この基材は紙、プラスチック、木材、ポリマー、ガラス、金属、セラミック、布、粘着テープ、厚紙などであってもよく、また物品の包装の一部、物品自体の一部、又は別個のタグ若しくは他のタイプの外部表面からなっていてもよい。
【００１３】
包装材料に堆積させると、本発色センサを印刷することができる。印刷を行うと、例えば包装された食品が腐ったときや食べられなくなったときの警告又はサインなどの特定のメッセージを有効にすることができる。印刷発色センサは、包装した製品の内側にあっても外側にあってもよい。包装基材の表面上に第１の材料を堆積させ、次いで第１の材料上に検知粒子を配置し、これらの検知粒子の少なくとも一部が周囲環境に暴露されることとなるように、第１の材料が包装基材の表面に検知種を付着させ続けるように硬化することで、この印刷を実施している。印刷する際、第１の材料は、ＵＶ硬化性又は熱硬化性などのインクジェット硬化性インクのようなインクであってもよい。このインクは、発色粒子を包装基材に付着させ続けるために、溶媒蒸発によって固化する従来のインクジェットインクであってもよい。
【００１４】
この表面は平坦であってもよいし、立体の境界であってもよい。層２２は、その表面に検知粒子２４の層を有する。本実施形態では、検知粒子２４は、多孔性の透明なエアロゲル支持材料２９を含む。この支持材料は、検知粒子２４の体積又は内部表面積全体に分散された検知種２６を含む。これらの検知粒子の少なくとも一部は、周囲環境に暴露されている。
【００１５】
本実施形態はここで、被検物質２８が検知粒子の深さに及ぶ無制限の接近を行って、より多くの検知種２６を活性化し、これにより、良好な発色、高速の応答、及び低い検出限界を得ることが可能となるため、従来技術の制限を解決している。
【００１６】
一実施形態では、これらの検知種は、検出される被検物質２８の存在下で色変化する材料の分子を含む。他の実施形態では、これらの検知種は、被検物質２９の存在下で色変化する無機錯体、ナノ粒子、塩、有機分子、ポリマー、又はそれらの組み合わせを含む。検知種及び被検物質間の相互作用は、共有結合の形成／切断、酸化／還元、プロトン化／脱プロトン化などのように化学的であってもよいし、ここで化学的に反応性であるとして言及されている吸着、溶解、相変化などのように、物理的であってもよい。検知種の例としては、ブロモクレゾールグリーン、フタロシアニン色素、ポルフィリン色素、インジゴ誘導体、アゾ色素、アントラキノン色素、トリアリールメタン色素、並びに蛍光色素及びりん光色素などのｐＨ指示薬が挙げられ得る。
【００１７】
他の検知種としては、塩化パラジウム、硫酸パラジウム、モリブデン酸アンモニウム、及び過マンガン酸カリウムなどの発生ガスと配位する遷移金属塩が挙げられ得る。上記の材料は例示として示しており、これらの実施形態の範囲を限定することを意図するものではない。
【００１８】
検出プロセスは、いくつかのメカニズムによって発生する可能性がある。第１のメカニズムでは、本センサは不活性状態で変色状態にあり、被検物質によって活性化されると、発色状態へと切り替わる。第２のメカニズムでは、本センサは被検物質の非存在下では発色し、被検物質が存在する場合には変色する。第３のメカニズムは、ある色から別の色への変化となる。第４のメカニズムは、りん光発光又は蛍光発光の色、強度、時定数などの変化のような、本センサの発光特性の変化となる。蛍光センサは、被検物質との化学反応又は物理的相互作用の結果として、不可視光線下で検査されると発せられる蛍光の特性を変化させる。被検物質との相互作用により変化する特性には、強度及び波長、ひいては発せられる光の色が含まれる。
【００１９】
蛍光検出では、複数の状況が可能となる。第１のケースでは、被検物質の非存在下で材料は非蛍光性であり、蛍光性となり、すなわち、ＵＶ光の一種である不可視光線で検査すると、特定の色の光を発する。第２のケースでは、被検物質の非存在下で材料は蛍光性であり、被検物質との化学的又は物理的相互作用の後に蛍光性を失う。別のケースは、被検物質との相互作用により、波長、ひいては発せられる蛍光の色が変化する場合である。
【００２０】
これらのメカニズムを任意に組み合わせても、発色センサで作動させることができる。
【００２１】
発色センサは、即時センサ又は統合センサとして機能してもよい。即時センサでは、発色反応は被検物質の現在又は最近の濃度と相関している。統合センサでは、発色反応は被検物質又は状態への累積暴露に関連している。
【００２２】
エアロゲルマトリックスは、被検物質又は環境状態の検出において受動的となり得、或いは活性的となり得る。例えば、このエアロゲルマトリックスは、被検物質の吸着を補助する場合において、ある被検物質の選択透過性を有効にし、他の被検物質の選択透過性を有効にしないとき、又は検知分子に固有ではない何らかの他の特性に寄与するときに活性的となり得る。
【００２３】
図２に示すようなセンサは、図３に示すような製造プロセスから生じてもよい。３０で、本プロセスは、基材上にパターンを堆積させることにより開始される。このパターンを、湿潤インク又は硬化性インクで形成してもよい。本明細書で使用する「インク」とは、表面に堆積させてから乾燥、固化、重合、又は硬化させることができる液体を意味する。このインクを、とりわけインクジェット印刷、スクリーン印刷、スプレーコーティング、ドクターブレード、スロットダイコーティング、又は基材への自己接着フィラメント又はフィルムの積層を含む多くの方法の１つによって、基材上に堆積させてもよい。反射率、コントラスト、又は知覚される色変化を増大させることにより、センサの発色応答を強化するようにインク又は基材を選択することができる。一実施例として、白色基材は、被検物質との相互作用により無色又は薄い発色状態からより濃い発色状態へと変化する色変化センサの場合、発色応答を強化することができる。別の実施例として、りん光材料の蛍光の場合は発せられる光の強度を最大化するために、一般に黒色基材材料又は濃色基材材料が好ましい。この場合、白色基材は通常、被検物質の検出の結果として発せられる蛍光に影響する別の青色の発光を散乱するか、又は更に生成する。
【００２４】
インクパターンの堆積前又は堆積中に、本プロセスは３２で検知種を有する多孔性検知粒子を提供する。通常、エアロゲルはモノリシック構造を形成し、粒子を生成するために何らかのプロセスを経る必要がある。これには、粉砕又はミリングが含まれ得る。どれだけエアロゲルが破損されても、本プロセスをここでは粉砕と呼ぶ。場合によっては、粒子の粉砕時に分散剤を添加すると、印刷パターンへの粒子の展延性を向上させ、粒子の凝集を最小限に抑えることで、粒子の印刷品質を向上させた。粉砕によって生じる粒子のサイズは、粉砕媒体のタイプとサイズ、粉砕時間、及び１分当たりの回転数として表すことができる粉砕速度などの処理パラメータによって制御できる。好ましい粉砕媒体としては、粉砕粒子の色に影響しないという理由で酸化ジルコニウム媒体が挙げられる。例えば、１ｍｍ〜１０ｍｍまでとするなど、任意のサイズの粉砕媒体が適切となり得る。
【００２５】
別の実施形態では、これらの粒子を乳化重合、噴霧、霧化、又は沈殿技法による粒子の直接合成によって製造してもよい。本実施形態では、溶媒タイプ、支持材料又は支持材料前駆体、濃度、処理温度、更なる粉砕、及び他の手段などの種々の手段によって、粒径を制御してもよい。
【００２６】
検知種は、種々の方法で多孔性粒子に組み込むことができる。これらの方法には、粉砕前又は粉砕後に溶液からエアロゲルへと検知種を注入すること、前駆体からのゲル形成時に溶媒中に検知種を配置すること、及びエアロゲルの形成中又は形成後に、検知種をポリマー又はシリカ壁に化学的にグラフト化することなどが含まれる。結果として得られるセンサは、多孔性粒子を当該環境に直接暴露しているため、被検物質は検知種に対し、空気を介して多孔性粒子の深さに及ぶ無制限の接近を行うことができる。
【００２７】
３４では、当該パターンを硬化させる前に、多孔性検知粒子を当該パターンの表面に散布した。この場合のインクは、表面が粘着性を維持し、且つ粒子をその表面に粘着させるように硬化性組成物であってもよいし、インクが乾燥する前に本プロセスで粒子を散布するだけでもよい。粒子を散布した後、ステップ３６で、インクを硬化又は乾燥させることにより、パターンを硬化させる。ＵＶ硬化性インクを使用する場合、粘着層の厚さを、表面をＯ２に暴露することで制御してもよく、これによって硬化が防止されることになる。この粘着層の厚さにより、表面に付着させることができる検知粒子の量と、周囲大気に対する粒子の暴露レベルとが決定する。
【００２８】
実施例１
多孔性ポリマーゲルモノリシックブロックは、米国特許出願第１５／７２８，３８５号に開示されているような手順により得られた。ラジカル架橋ポリマーネットワークで構成され得るエアロゲルを形成するプロセスは、安定フリーラジカル重合（ＳＦＲＰ）、原子移動ラジカル重合（ＡＴＲＰ）、可逆的付加フラグメンテーション連鎖移動（ＲＡＦＴ）、及び連鎖移動剤の使用などの制御されたラジカル重合プロセスを含む、ラジカル重合プロセスを含むがこれらに限定されない多くの異なるプロセスの１つを含んでもよい。
【００２９】
米国特許出願第１６／０４６，６９２号及び同第１５／７２８，３８５号に開示されているようなエアロゲルを形成する典型的なプロセスでは、重合可能な前駆体は、開始剤及び必要に応じて重合制御剤と共に高沸点良溶媒に溶解される。良溶媒とは、溶媒及びポリマーゲルネットワーク間のＦｌｏｒｙ−Ｈｕｇｇｉｎｓ相互作用パラメータが０．５未満の場合、又は溶媒及びポリマー間のヒルデブランド溶解パラメータの差が１未満の溶媒である。高沸点溶媒とは、重合温度（通常は５０〜１５０℃）を上回る沸点を有する溶媒である。重合可能な前駆体の量は、前駆体溶液の０．１〜６０重量％の範囲となる。この溶媒の量は、前駆体溶液の４０〜９９．９重量％の範囲となる。開始剤の量は、前駆体溶液の０．００１〜１０重量％の範囲となる。制御剤の量は、前駆体溶液の０．００１〜１０重量％の範囲となる。前駆体はビニルモノマーと架橋剤からなり、前駆体の少なくとも３０質量％が硬性である。ホモポリマーとして単独で重合したときに、ヤング率が３．５ＧＰａ以上である場合、その成分は硬性になる。
【００３０】
硬性の前駆体の例としては、ジビニルベンゼン、トリメタクリルアダマンタン、ヘキサンジオールジアクリレート、ヘキサンジオールジメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレートが挙げられる。連鎖移動剤制御プロセスの場合、制御剤は、有機チオール連鎖移動剤、ドデカンチオール、クロロホルム、オクチルメルカプタン、又は１，８−ジメルカプト−３，６−ジオキサオクタンのうちの１又は複数を含む。ＳＦＲＰプロセスの場合、制御剤は安定ニトロキシド、アルコキシアミン、アルコキシアミンの分解に由来する安定ニトロキシド、２，２，６，６−テトラメチル−１−ピペリジニルオキシ（ＴＥＭＰＯ）、又は４−ヒドロキシ−ＴＥＭＰＯのうちの１つを含む。安定ラジカルに加えて、還元剤（ヒドロキシアセトン、アスコルビン酸、グルコース、又はエンジオール種のうちの１又は複数を含む）又は時間制御された分解ラジカル（溶媒及び温度を含む反応条件で、１時間よりも長い分解半減期を有するラジカル）などの制御剤を使用してもよい。ＲＡＦＴプロセスの場合、制御剤はトリチオカーボネート、キサンテート、又はベンゾジチオエートを含んでもよい。ＡＴＲＰプロセスの場合、制御剤は、アミン官能性リガンドなどのリガンドと錯体を形成した遷移金属レドックス中心を含んでもよい。重合は、５０〜１５０℃の範囲の温度で１分〜７２時間、脱酸素環境で実施される。場合によっては、光開始剤も使用してよい。このような重合では、温度を室温（１８℃）にまで低下させることができる。
【００３１】
重合プロセスの最後に、溶媒をベンゼン、エタノール、ジエチルエーテル、又はアセトンなどの対象の検知分子を溶解できる溶媒と交換した。次に、湿潤モノリシックブロックを、溶媒中のブロモクレゾールグリーン色素、ｐＨ指示薬を含む溶液に配置して、２日間硬化させた。これにより、気孔内に埋め込まれた発色色素を含む湿潤ゲルが生成された。溶媒を室温でゆっくりと蒸発させた後、多孔性構造体を真空で一晩乾燥させて、溶媒の蒸発を完了させた。
【００３２】
溶媒を検知材料溶液と交換する前に、湿潤モノリシックゲルを粉砕して、検知材料がゲルに浸透する拡散時間を短縮することもできる。
【００３３】
次に、色素を含むモノリシックエアロゲルブロックを３ｍｍのジルコニアビーズを有する遊星ボールミルに配置し、粉砕して、気孔内に検知色素を組み込んだ多孔性粒子を生成した。粒子はふるい分けによって分離され、種々の粒径の画分を別々に収集した。５３マイクロメートル（ミクロン）未満の粒子の画分を印刷に使用した。或いは、コーヒーメーカー装置での粉砕では、数百ミクロンのオーダーの非常に大きな粒子しか生成されず、これらは高解像度の印刷には適していない。
【００３４】
また、少量の極性界面活性剤・分散剤ＰＥＯ−ＰＥ（ポリ（エチレンオキシド）−ポリエチレン）（色素を有する検知粒子に対して０．１〜３０質量％）を添加して、乾燥エアロゲル材料の粉砕を行う実験を行った。表１は、粒径が５３ミクロン未満の収集粒子の質量分率が７８％〜９５％に増加し、粒子の凝集を低減する添加剤の有益な効果が得られたことを示している。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
実施例２
２５ｇのメタノール及び６．２ｇの水内で、テトラメチルオルトシリケート（１０．４ｇ）とメチルトリエトキシシラン（９．３ｇ）とを混合することにより、透明エアロゲル材料を調製した。この混合物を１２時間撹拌した。ｐＨが９．０に達するまで、アンモニア溶液の液滴を徐々に添加した。この混合物を４８時間放置した。次に、この溶媒をアセトンと交換した（２回、それぞれ１２時間）。
【００３７】
硬化した湿潤ゲルをより小さな破片へと粉砕し、２１５ｍｌのアセトンに溶解した１．５ｇのブロモクレゾールグリーンからなる溶液に浸した。この溶液は濃青色となった。濃発色が消失するまで少量の塩酸を徐々に添加し、透明淡黄色溶液を生成した。２４時間撹拌した後、湿った破片を溶液から取り出し、蓋に小孔のある容器でゆっくりと乾燥させたが、これは２週間極めてゆっくりと蒸発させることである。次に、この乾燥材料に、実施例１のプロセスと同様のボールミル粉砕を施した。
【００３８】
実施例３
ドクターブレードを使用して、市販のＵＶ硬化性インクの層をＰＥＴプラスチック基材上に堆積させた。別の実施例では、インクジェットプリンタでゲルＵＶ硬化性インクを印刷した。次に、実施例１及び２で生成されたものなどのセンサ粒子を、ＵＶ硬化性インクの表面上に散布して付着させた。３６５ナノメートルの波長のＵＶ光に暴露することで、硬化を行った。次に、表面に付着しない粒子を収集して、再循環させた。
【００３９】
実施例４−センサテスト
実施例１〜３に記載しているように製造された図４に示すセンサを、アンモニアガスに暴露した。センサに印刷されたメッセージ４２は、図５に示すように、２秒未満のうちに極めて急速に発色した。これに対して、市販のアンモニア検知バッジであるＣｈｒｏｍＡｉｒ  Ａｍｍｏｎｉａ  Ｓａｆｅｔｙ  Ｂａｄｇｅ（Ｍｏｒｐｈｉｘ  Ｐａｒｔ＃３８０００３−１０）は、目で検出できる発色となるのに約４０秒かかった。
【００４０】
実施例１〜３と同様の方法で作製されたセンサを、一般的なＶＯＣ（揮発性有機化合物）であるイソプロピルアミンの近傍に配置した。本明細書に記載の実施形態に従って製造された印刷センサは数秒で発色したが、市販のセンサはイソプロピルアミン蒸気に３時間連続で暴露した後でも発色しなかった。
【００４１】
実施例５
実施例１〜３に記載しているように製造されたセンサを、実施例４に記載しているようにアンモニア蒸気に暴露すると、発色した。次に、図６に示すように、発色したセンサを塩酸蒸気に暴露すると、約１０〜１５秒で変色した。発色／変色サイクルを繰り返すことができた。このことは、センサの可逆性と、概ね使い捨てセンサである一般的な市販のセンサの代わりに、本センサが再利用可能となる可能性があることとを示している。他のセンサは不可逆的である可能性がある。
【００４２】
このようにして、現在の最先端技術と比較した場合強化された発色を示す、デジタル印刷された鮮明な発色センサを製造することができる。これらのセンサは、市販のセンサと比較して応答が速く、且つ感度が高く、また製品の包装時にオンデマンドで印刷することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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