(57)【要約】空気中に含まれる少なくとも一つ以上の匂い物質を吸着する物質吸着膜と、前記物質を吸着後の物質吸着膜の電気特性を測定する電気信号変換部と、を具備する少なくとも２つのセンサ素子とを含む匂いセンサであって、当該物質吸着膜は、導電性高分子を含む基本骨格と、前記導電性高分子の基本骨格を変性させるドーパントとを含み、前記少なくとも２つのセンサ素子は、前記基本骨格と前記ドーパントの割合が異なる前記物質吸着膜をそれぞれ設けていることを特徴とする匂いセンサ及び当該センサを用いた匂い測定システムを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
匂い物質を吸着する物質吸着膜と、
前記匂い物質の前記物質吸着膜への吸着状況を判断する信号変換部と、
を有するセンサ素子を２つ以上含み、
前記物質吸着膜は、導電性高分子と、前記導電性高分子の物質特性を変化させるドーパントと、を含み、
２つ以上の前記センサ素子が有する各々の前記物質吸着膜は、前記導電性高分子に対する前記ドーパントの含有割合がそれぞれ異なる、匂いセンサ。
【請求項２】
前記信号変換部は、前記匂い物質が前記物質吸着膜へ吸着することに起因する前記物質吸着膜の物理的、化学的、又は電気的特性の変化を測定することにより吸着状況を判断するものである、
請求項１に記載の匂いセンサ。
【請求項３】
前記導電性高分子が、π電子共役高分子を含む、
請求項１又は２に記載の匂いセンサ。
【請求項４】
前記π電子共役高分子が、ポリピロール及びその誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリアセチレン及びその誘導体、並びにポリアズレン及びその誘導体からなる群より選択される、
請求項３に記載の匂いセンサ。
【請求項５】
前記ドーパントが、前記物質吸着膜の吸着特性を変化させる、
請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の匂いセンサ。
【請求項６】
前記ドーパントが、無機イオンである、
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の匂いセンサ。
【請求項７】
前記無機イオンが、塩素イオン、塩素酸化物イオン、臭素イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、及びホウ酸イオンからなる群より選択される、
請求項６に記載の匂いセンサ。
【請求項８】
前記ドーパントが、有機酸アニオンである、
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の匂いセンサ。
【請求項９】
前記有機酸アニオンが、アルキルスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、及びカルボン酸からなる群より選択される、
請求項８に記載の匂いセンサ。
【請求項１０】
前記ドーパントが、高分子酸アニオンである、
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の匂いセンサ。
【請求項１１】
前記高分子酸アニオンが、ポリアクリル酸、又はポリスチレンスルホン酸である、
請求項１０に記載の匂いセンサ。
【請求項１２】
前記ドーパントが、塩である、
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の匂いセンサ。
【請求項１３】
前記ドーパントが、イオン液体である、
請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の匂いセンサ。
【請求項１４】
前記イオン液体が、ピリジン系、脂環族アミン系、又は脂肪族アミン系のイオン液体である、
請求項１３に記載の匂いセンサ。
【請求項１５】
センサ素子を含む匂いセンサが２つ以上配列され、
前記匂いセンサは、
前記匂い物質を吸着する物質吸着膜と、
前記匂い物質の前記物質吸着膜への吸着状況を判断する信号変換部と、
を有する前記センサ素子を２つ以上含み、
前記物質吸着膜は、導電性高分子と、前記導電性高分子の物質特性を変化させるドーパントと、を含み、
２つ以上の前記センサ素子が有する各々の前記物質吸着膜は、前記導電性高分子に対する前記ドーパントの含有割合がそれぞれ異なる、匂いセンサ配列体。
【請求項１６】
２つ以上配列された前記匂いセンサが、それぞれの前記匂いセンサにおける前記匂い物質の吸着量の違いに基づいて、前記匂い物質が接近してきた方向を検知する、
請求項１５に記載の匂いセンサ配列体。
【請求項１７】
２つ以上の前記匂いセンサが、それぞれ同じ組み合わせの前記物質吸着膜を有する、
請求項１５又は請求項１６に記載の匂いセンサ配列体。
【請求項１８】
２つ以上の前記匂いセンサにおいて、それぞれの前記センサ素子の配列が同じである、
請求項１５から請求項１７のうちいずれか１項に記載の匂いセンサ配列体。
【請求項１９】
２つ以上の前記センサ素子が平面状に配列され、
２つ以上の前記匂いセンサが平面状に配列された、
請求項１５から請求項１８のうちいずれか１項に記載の匂いセンサ配列体。
【請求項２０】
匂い物質と相互作用する２つ以上のセンサ素子を含む匂いセンサを有する検出部と、
前記センサ素子と前記匂い物質との相互作用に基づく電気特性をパターン化して視認化するデータ処理部、
前記パターンを解析、認識する解析部と、
を含み、
前記匂いセンサは、
前記匂い物質を吸着する物質吸着膜と、
前記匂い物質の前記物質吸着膜への吸着状況を判断する信号変換部と、
を有する前記センサ素子を２つ以上含み、
前記物質吸着膜は、導電性高分子と、前記導電性高分子の物質特性を変化させるドーパントと、を含み、
２つ以上の前記センサ素子が有する各々の前記物質吸着膜は、前記導電性高分子に対する前記ドーパントの含有割合がそれぞれ異なる、匂い測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質吸着膜及び当該吸着膜を用いた匂いセンサに関する。更には、当該匂いセンサを用いた匂い測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
匂いは人間の持つ感覚のうちで唯一センサによる機械的測定ができていないものであり、その一方、匂いデータが持つと予想される情報は、医療、安全、安心、環境、ＥＣ（ｅコマース）、ＩｏＴ（モノのインターネット）など様々な方面で利用できると期待されている。【０００３】
匂いセンサは炭鉱で使われたカナリアをセンサとして用いた例まで遡るが、１９２０年台に炭鉱などで発生する可燃性ガスの検出を目的とした接触燃焼式の可燃性ガス検知器が実用されたのが最初である。【０００４】
その後、金属酸化物半導体に各種ガスが接触すると電気伝導度が変化することが１９３０〜１９５０年台に知られていたが、これをガスセンサとして利用したセンサは１９６２年田口らにより日本で実用化された。【０００５】
その後現在に至るまで半導体ガスセンサは金属酸化物の種類もＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３、Ｖ２Ｏ３などが利用されるようになり、また、これらにＰｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇなどを添加したり、素子の形状をコントロールするなどして感度を高めたりガスの選択性を持たせたりする検討が行われ、様々な場面で利用されている。【０００６】
近年では検出対象となるガスも可燃性ガスからオゾン、フッ素や塩素を含むハロゲン化ガス、硫化水素そして火災・口臭等の悪臭から発生する不特定混合ガスまで幅広く利用されるようになっている。【０００７】
しかしながらこうしたセンサは基本的には既知の特定ガスに対して応答するセンサを組み合わせて匂いの測定を行うものであり、既知でない物質や複数の物質が相互作用する現実の匂いの表現を行うことは困難であった。【０００８】
こうした試みの中、１９９０年台になるとポリピロールなどの導電性高分子を用いて複数のセンサからなるアレイ構造のセンサが提案され、アレイ状のセンサの応答差をマッピングすることで匂いを表現する手法が検討され、実用化されている。【０００９】
例えば、Ｓｏｕｚａらはｐ−トルエンスルホン酸など５種類のドーパントを用い、金の４端子電極上に形成したポリピロール薄膜をガス吸着膜とし、ガス吸着による膜の酸化還元電位の変化をマッピングして匂いを表現する方法を発表している（非特許文献１）。【００１０】
また、Ｆｒｅｕｎｄらは、ポリピロールを重合する際に可塑剤となる物質（ポリスチレンやその誘導体など）を共存させることで膜物性を変え、この膜を抵抗膜とするキャパシタアレイを構成し、ここにガスが吸着したときの容量変化をマッピングすることで匂いを可視化する方法を提案している（非特許文献２）。【００１１】
導電性高分子を用いたセンサはガスの測定用センサに適している可能性があるとして研究されてきた。導電性高分子としてはポリピロールやポリアニリンを用い、それらの酸化還元状態をあらかじめ規定の値に制御した上で、各種ガスの吸着による表面電位の変化を読み取る仕組みのセンサが知られている（非特許文献３）。しかしながら、ここで検討されているセンサは高濃度域では直線性があるものの高感度とは言いがたいものである。【００１２】
また、Ｐａｎｄｙらはポリアニリンのナノワイヤを金ナノ粒子上に形成した電極や金属塩上に形成した電極を用いて、それらのガス吸着によるインピーダンス変化を読み取ることで高感度に硫化水素を検出できたことを報告している（非特許文献４）。【００１３】
Ｌｉらは水溶性ポリアニリンをＱＣＭ上に滴下コートして作成したポリアニリン被覆ＱＣＭを試作し、トリエチルアミン、エタノール、及びエチルアセテートの吸着特性を調べている。ポリアニリン被覆ＱＣＭは再現性の良い応答を示し、また、吸着するガスの極性により応答が異なることを明らかにした（非特許文献５）。【００１４】
Ｎａｔｈａｎらは、ＱＣＭ、金属酸化物半導体、光学式センサ、ＭＥＭＳセンサ、電気化学センサなどからなり、ポリピロール、ポリアニリン、ポリチオフェンなどの導電性高分子を少なくとも一種類以上形成してなるアレイ型匂いセンサを提案している（特許文献１）。こうした方法により、各種導電性高分子の表面物性の相違によりガス吸着状態が異なることを利用してマトリクス状に配置したセンサアレイのパターンを見ることに成功している。【００１５】
一方、ヒトの嗅覚受容体の数は約３８０種類あると言われている（非特許文献６）。このことから、できるだけヒトに近い精密な匂いパターン分析を行うためには最低３０から４０種類のセンサアレイが望ましいと考えられる。【００１６】
前述のＮａｔｈａｎらはそのための手段として５種類の導電性高分子とその誘導体を吸着膜に用いることを提案しており、アルキル置換基を有する導電性高分子などの様々な誘導体を用いれば無数の吸着膜を準備することができる。【００１７】
一般的に人を含む動物の鼻の嗅覚メカニズムとしては、以下のように説明されうる。【００１８】
まず鼻から匂い物質が入ると、匂い物質は鼻腔最上部の嗅上皮と呼ばれる特別な粘膜に溶け込み感知され、嗅上皮にある嗅細胞が電気信号を発生、電気信号が嗅神経、嗅球、脳（大脳辺縁系）へと伝達し、匂い感覚が起きる。【００１９】
ここで、嗅上皮の粘膜層に広がっている嗅毛には、匂いをキャッチする嗅覚受容体（匂いセンサ）が存在する。そして一つの匂い分子に対していくつかの嗅覚受容体が反応し、匂いを検知する。また、匂いの濃度が変わると、反応する嗅覚受容体の組み合わせが変わり、違う匂いとして感じられる。【００２０】
外崎はその著書で、アームアの研究では異なる分子構造を持つ複数の匂い原因物質が類似した匂いを与えることに着目し、それら類似した匂いを与える分子の外形の少なくとも一部が大変良く似ていることを見出したと述べている。すなわち、これにより嗅覚受容体が分子の概形構造を認識している可能性があることを示唆している。【００２１】
また、別の研究ではそれぞれの匂い原因物質の与える振動数をこれら嗅覚受容体が認識していると説明している（非特許文献７）。【００２２】
このように、嗅覚受容体は匂い原因物質の持つ属性のうち、これまでの化学分析で用いられてきたような分子量、酸化還元電位、官能基とその結合位置などのような化合物を同定できる比較的直接的な情報ではなく、分子の外形情報などの間接的な物質の特性を検出していると考える方が説明がつきやすいと考えられてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許第６６３１３３３号明細書
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】Synthetic Metals 102 (1999)1296-1299 <http://www.cin.ufpe.br/~tbl/artigos/synthetic-metals102.pdf>
【非特許文献２】Proc. Nat’l.Acad. Sci. USA, vol. 92 pp. 2652-2656, March 1995 <http://www.pnas.org/content/92/7/2652.full.pdf>
【非特許文献３】Journal of Scientific &Industrial Research, Vol. 65, July 2006, pp.549-557 <http://nopr.niscair.res.in/bitstream/123456789/4862/1/JSIR%2065(7)%20549-557.pdf?utm_source=The_Journal_Database&trk=right_banner&id=1405260546&ref=a9e18615352a09d89724ffaafef1cd18>
【非特許文献４】Trends in Analytical Chemistry,vol. 32, 2012, pp.87-99 <http://www.researchgate.net/profile/Ki_Hyun_Kim4/publication/228073634_A_review_of_sensor-based_methods_for_monitoring_hydrogen_sulfide/links/09e414fec247ccc0fa000000.pdf>
【非特許文献５】Sensors 2007, 7(10), 2378-2388 <http://www.mdpi.com/1424-8220/7/10/2378/htm>
【非特許文献６】化学と生物, Vol. 45, No. 8, 2007
【非特許文献７】外崎肇一著、「「におい」と「香り」の正体」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、上述した技術を用いた場合であっても、複雑な匂いパターンを的確に検知し得るにたりるセンサを提供するには至っていない。【００２６】
また、センシングに必要なこれら誘導体を合成する場合、多くはモノマーの段階で誘導体化した上で重合して高分子にしなくてはならない。しかしながら上述した方法であらゆる物性の導電性高分子が合成できるわけではない。そのため、必然的に吸着膜の物性の相違の範囲は狭くならざるをえなかった。【００２７】
本発明は、上記課題を鑑み、人間の嗅覚のように、複雑な匂いの集合体から特定の匂いを検出、峻別することを可能とする匂いセンサ、当該匂いセンサに用いられる物質吸着膜、当該物質吸着膜の製造方法を提供することを目的とする。こうしたセンサを用いることで、匂いパターンのデータベースを構成し匂い識別に利用することも可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明者らは、上述の課題を解決するため、物質吸着膜の特性の幅を大きく広げ、それによりセンサアレイの素子数を増やすことを可能にする物質吸着膜の製造方法について検討・研究を行った。【００２９】
その結果、導電性高分子を物質吸着膜の基本骨格とし、その対イオンあるいはドーパントをカチオンとした共イオンとなる塩、又は酸を共存させることにより、導電性高分子基本骨格の物性（極性、親疎水性、立体障害など）を大きく変え、実質的に無限の種類の物質吸着膜を構成することができることを見出し、本発明をなし得るに至った【００３０】
すなわち、本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。【００３１】
（１）匂い物質を吸着する物質吸着膜と、前記匂い物質の前記物質吸着膜への吸着状況を判断する信号変換部と、を有するセンサ素子を２つ以上含み、前記物質吸着膜は、導電性高分子と、前記導電性高分子の物質特性を変化させるドーパントと、を含み、２つ以上の前記センサ素子が有する各々の前記物質吸着膜は、前記導電性高分子に対する前記ドーパントの含有割合がそれぞれ異なる、匂いセンサ。【００３２】
匂い物質が物質吸着膜に吸着することで、物質吸着膜の特性が変化し、物質吸着膜の物理的、化学的、又は電気的特性等が変化する。この物質吸着膜の特性変化を信号変換部により検出、増幅することで、個々のセンサ素子は匂い物質の物質吸着膜への吸着状況を測定することが可能である。【００３３】
物質吸着膜の匂い物質に対する吸着特性は、物質吸着膜に含まれる導電性高分子の種類や、導電性高分子に添加するドーパントの種類、添加量によって変化させることができる。特定の吸着特性を有する物質吸着膜には、その吸着特性への親和性を有する複数の匂い物質が吸着することができる。気体中には一般的に「匂い」を構成する多数の匂い物質が含まれており、気体に含まれる匂い物質の集合体は、その組成に応じて、ある特定の物質吸着膜への吸着量が変化する。【００３４】
匂いセンサは、それぞれ異なるドーパント含有割合を有する物質吸着膜を備えるセンサ素子を２つ以上含むため、一の気体に対して２つ以上の吸着状況を検知することができる。すなわち、匂いセンサは、一の気体に対して、２つ以上のセンサ素子がそれぞれ測定する吸着状況からなる検出パターンを出力することができる。【００３５】
本発明において「匂い物質」とは、広義において物質吸着膜に吸着可能な物質を意味する。従って、一般的に匂いの原因物質とされていない物質も含まれ得る。「匂い」には原因となる匂い物質が複数含まれることが多く、また、匂い物質として認知されていない物質又は未知の匂い物質も存在し得る。本発明は、それら個々の匂い物質の吸着ではなく、特定の物質吸着膜に吸着し得る特定の吸着特性を有する匂い物質について、その吸着量に着目するものである。なお、本明細書中、単に「匂い物質」と記載した場合であっても、個々の匂い物質ではなく、複数の匂い物質が含まれ得る「匂い物質の集合体」を意味する場合がある。【００３６】
（２）前記信号変換部は、前記匂い物質が前記物質吸着膜へ吸着することに起因する前記物質吸着膜の物理的、化学的、又は電気的特性の変化を測定することにより吸着状況を判断するものであることが好ましい。【００３７】
信号変換部は、物質吸着膜の物理的、化学的、又は電気的特性変化を測定し、その測定結果を電気信号へと変換することにより、コンピュータ等で演算処理可能な電子データとして、匂い物質の吸着状況を表現することができる。【００３８】
（３）前記導電性高分子が、π電子共役高分子を含むことが好ましい。【００３９】
（４）前記π電子共役高分子が、ポリピロール及びその誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリアセチレン及びその誘導体、並びにポリアズレン及びその誘導体からなる群より選択されることが好ましい。【００４０】
導電性高分子として、このようなπ電子共役高分子を用いることにより、各種ドーパントによる吸着特性を制御し易くなる。【００４１】
（５）前記ドーパントが、前記物質吸着膜の吸着特性を変化させることが好ましい。【００４２】
（６）前記ドーパントが、無機イオンであることが好ましい。【００４３】
（７）前記無機イオンが、塩素イオン、塩素酸化物イオン、臭素イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、及びホウ酸イオンからなる群より選択されることが好ましい。【００４４】
（８）前記ドーパントが、有機酸アニオンであることが好ましい。【００４５】
（９）前記有機酸アニオンが、アルキルスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、及びカルボン酸からなる群より選択されることが好ましい。【００４６】
（１０）前記ドーパントが、高分子酸アニオンであることが好ましい。【００４７】
（１１）前記高分子酸アニオンが、ポリアクリル酸、又はポリスチレンスルホン酸であることが好ましい。【００４８】
（１２）前記ドーパントが、塩であることが好ましい。【００４９】
（１３）前記ドーパントが、イオン液体であることが好ましい。【００５０】
（１４）前記イオン液体が、ピリジン系、脂環族アミン系、又は脂肪族アミン系のイオン液体であることが好ましい。【００５１】
ドーパントとして、上述の無機イオン、有機酸アニオン、高分子酸アニオン、塩、イオン液体等を用いることにより、物質吸着膜の吸着特性を任意に制御することができる。【００５２】
（１５）センサ素子を含む匂いセンサが２つ以上配列され、前記匂いセンサは、前記匂い物質を吸着する物質吸着膜と、前記匂い物質の前記物質吸着膜への吸着状況を判断する信号変換部と、を有する前記センサ素子を２つ以上含み、前記物質吸着膜は、導電性高分子と、前記導電性高分子の物質特性を変化させるドーパントと、を含み、２つ以上の前記センサ素子が有する各々の前記物質吸着膜は、前記導電性高分子に対する前記ドーパントの含有割合がそれぞれ異なる、匂いセンサ配列体。【００５３】
匂いセンサが２つ以上配列されていることにより、２つ以上の異なる位置での匂い物質の吸着状況を検知することができるため、匂い物質又はその匂い物質を含む気体の位置情報を検知することができる。【００５４】
（１６）２つ以上配列された前記匂いセンサが、それぞれの前記匂いセンサにおける前記匂い物質の吸着量の違いに基づいて、前記匂い物質が接近してきた方向を検知することが好ましい。【００５５】
２つ以上の異なる位置において物質吸着膜への匂い物質の吸着量を測定することができるため、その吸着量の違いに基づいて、匂い物質又はその匂い物質を含む気体の移動方向を把握することができる。すなわち、匂い物質の移動方向を検知することができる。【００５６】
（１７）２つ以上の前記匂いセンサが、それぞれ同じ組み合わせの前記物質吸着膜を有することが好ましい。【００５７】
２つ以上配列された匂いセンサが、それぞれ同じ組み合わせの物質吸着膜を有することにより、異なる場所で同じ構成の匂いセンサを用いて検知することが可能である。そのため、匂い物質又はその匂い物質を含む気体が複数存在した場合であっても、それらを判別することができると共に、それらの移動方向を検知することができる。【００５８】
（１８）２つ以上の前記匂いセンサにおいて、それぞれの前記センサ素子の配列が同じであることが好ましい。【００５９】
２つ以上配列された匂いセンサが、それぞれ同じ配列を有することにより、匂いセンサ配列体の製造が容易となる。また、特に大型の匂いセンサ配列体とした場合、匂いセンサ配列体の一部に不具合や欠損が生じた場合であっても、修復が容易となる。【００６０】
（１９）２つ以上の前記センサ素子が平面状に配列され、２つ以上の前記匂いセンサが平面状に配列されていることが好ましい。【００６１】
各センサ素子が平面状に配列され、かつ各匂いセンサが平面状に配列されることにより、匂いセンサ配列体の全体形状を平板状とすることができる。匂いセンサ配列体の全体形状が平板状であると、壁や天井、床等の任意の平面状の場所への設置が容易である。【００６２】
（２０）匂い物質と相互作用する２つ以上のセンサ素子を含む匂いセンサを有する検出部と、前記センサ素子と前記匂い物質との相互作用に基づく電気特性をパターン化して視認化するデータ処理部、前記パターンを解析、認識する解析部と、を含み、前記匂いセンサは、前記匂い物質を吸着する物質吸着膜と、前記匂い物質の前記物質吸着膜への吸着状況を判断する信号変換部と、を有する前記センサ素子を２つ以上含み、前記物質吸着膜は、導電性高分子と、前記導電性高分子の物質特性を変化させるドーパントと、を含み、２つ以上の前記センサ素子が有する各々の前記物質吸着膜は、前記導電性高分子に対する前記ドーパントの含有割合がそれぞれ異なる、匂い測定システム。
【発明の効果】
【００６３】
本発明のセンサ素子及びセンサは、匂いの物質特異的な物理、化学又は電気特性を有する物質吸着膜を多種多様に設けることが可能であるため、様々な物質が混在している一般的な環境においても物質を限定することなく検出することができる。【００６４】
また、このような本発明のセンサは、匂いを構成物質の成分としての表現ではなく、匂いのイメージパターンとして出力する点が従来のガス分析を原理とする匂いセンサと異なるところである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は本発明に係る匂いセンサのセンサ素子の断面図である。
【図２】図２は本発明で用いることのできるパイ電子共役高分子の例である。
【図３】図３は本発明に係る匂いセンサのドーパントとして用いられる化合物の例である。
【図４】図４は本発明の匂い測定システムの模式図である。
【図５】図５は本発明の匂いセンサ配列体の模式図及びその部分拡大図である。
【図６】図６は水が物質吸着膜に吸着する際の吸着状況の変化を示す説明図である。
【図７】図７は水が物質吸着膜から脱着する際の吸着状況の変化を示す説明図である。
【図８】図８は日本酒が物質吸着膜に吸着する際の吸着状況の変化を示す説明図である。
【図９】図９は日本酒が物質吸着膜から脱着する際の吸着状況の変化を示す説明図である。
【図１０】図１０は実施例１の結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は実施例２の結果を示すグラフである。
【図１２】図１２は実施例３の結果１を示すレーダーチャートである。
【図１３】図１３は実施例３の結果２を示すレーダーチャートである。
【図１４】図１４は実施例３の結果３を示すレーダーチャートである。
【図１５】図１５は実施例３の結果４を示すレーダーチャートである。
【図１６】図１６は実施例３の結果５を示すレーダーチャートである。
【図１７】図１７は実施例４の結果１を示すレーダーチャートである。
【図１８】図１８は実施例４の結果２を示すレーダーチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００６６】
［実施形態１］
まず、本発明の実施形態１に係る匂いセンサについて説明する。実施形態１に係る匂いセンサは、空気中に含まれる少なくとも一つ以上の匂い物質を吸着する物質吸着膜と、前記物質を吸着後の物質吸着膜の物理、化学又は電気特性を測定する信号変換部とを具備する少なくとも２つのセンサ素子とを含む匂いセンサであって、当該物質吸着膜は、導電性高分子と、前記導電性高分子の物質特性を変性させるドーパントとを含み、前記少なくとも２つのセンサ素子は、前記基本骨格と前記ドーパントの割合が異なる前記物質吸着膜をそれぞれ設けていることを特徴とするものである。
【００６７】
この構成によれば、当該物質吸着膜は、ドーパントにより膜特性を変性することが可能となり、各物質吸着膜は選択的にある物質を特異的に吸着することになる。これにより、物質吸着膜の表面に吸着した物質による物理、化学または電気的特性変化を検出することができるため、その変化に基づいて物質の吸着状況を測定することが可能である。
【００６８】
ここで、「匂い」とは、人間あるいはそれを含む生物が嗅覚情報として取得することができる、特定の分子単体もしくは異なる分子からなる分子群がそれぞれの濃度を持って集合したものを含む。
【００６９】
信号変換部は、匂い物質の物質吸着膜への吸着状況を、匂い物質が物質吸着膜へ吸着することによる物質吸着膜の物理的、化学的、又は電気的特性変化を測定するものであることが好ましい。ここで、「匂い物質の物質吸着膜への吸着状況」は、例えば、「匂い物質の物質吸着膜への吸着量」を概念として含む。匂い物質の物質吸着膜への吸着量の増減によって、物質吸着膜の物理的、化学的、又は電気的特性が変化し、その変化量を測定することで、匂い物質の物質吸着膜への吸着状況を判断する。また、「物理的、化学的、又は電気的特性」としては、具体的には、水晶振動子における周波数変化、光学的特性変化（吸収波長変化、吸光度変化、屈折率変化等）、表面弾性波の速度変化等の物理的特性、電気化学的インピーダンス変化、酸化還元電位の変化等の電気化学的特性、電荷結合、ゲート電圧、インピーダンス、共振周波数、バンドギャップ等の電気的特性が挙げられる。
【００７０】
＜センサ素子＞
以下、図を用いてセンサ素子の説明を行う。
【００７１】
図１は本発明のセンサ素子１０１の断面図である。センサ素子１０１はセンサ本体部１０２及びセンサ本体部１０２表面に設けられ、匂い物質（化学物質）を吸着する物質吸着膜１０３を表面上に設けている。また、全体構成の一例として図１ではセンサ本体部１０２は基板１１０上に設けられている。また、例えば反対側の表面には、励振電極（図示せず）を配置する構成としても良い。
【００７２】
物質吸着膜１０３はπ電子共役高分子からなる薄膜であり、該π電子共役高分子薄膜にはドーパント１０５として無機酸、有機酸あるいはイオン性液体からなる少なくとも１種類を含むことが可能である。
【００７３】
センサ本体部１０２は、当該物質吸着膜表面に吸着した物質による物理、化学又は電気的特性変化を測定することで物質の吸着状況を測定する信号変換部（トランスデューサ）としての機能を持つように設けられている。その物理、化学又は電気的素子としては、水晶振動子センサ（ＱＣＭ）、表面弾性波センサ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）センサ、電荷結合素子センサ、ＭＯＳ電界効果トランジスターセンサー、金属酸化物半導体センサ、有機導電性ポリマーセンサ、あるいは電気化学的センサなど、センサとしては特に限定されず、その時々の目的等に応じて種々のセンサを適宜用いることができる。
【００７４】
素子の構造はセンサの検出目的に応じて種々異なる構造をとることが可能である。例えば水晶振動子の場合には、通常の電極を両面に付けたタイプでも良いし、Ｑ値を高くとることが可能な片面電極のみ分離電極とした構造のものを用いても良い。
【００７５】
該物質吸着膜１０３として用いられるπ電子共役高分子は特に限定されないが、ポリピロール及びその誘導体、ポリアニリン及びその誘導体、ポリチオフェン及びその誘導体、ポリアセチレン及びその誘導体、ポリアズレン及びその誘導体などのいわゆるπ電子共役高分子を骨格とする高分子が好都合である。
【００７６】
通常、こうしたπ電子共役高分子は酸化状態で骨格高分子自体がカチオンとなり、ドーパントとしてアニオンを含むことによって導電性を発現する。なお、本発明ではドーパントを持たない中性のπ電子共役高分子も物質吸着膜として選択することができる。
【００７７】
ドーパントを持ち、導電性を有するπ電子共役高分子を用いる場合には、ドーパントとして様々な物質を用いることが可能である。図２及び３に、使用可能な物質の例を化合式及び表として示す。
【００７８】
ドーパント例としては、塩素イオン、塩素酸化物イオン、臭素イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、ホウ酸イオンなどの無機イオン、アルキルスルホン酸、ベンゼンスルホン酸、カルボン酸などの有機酸アニオン、及びポリアクリル酸、ポリスチレンスルホン酸などの高分子酸アニオンなどが挙げられる。
【００７９】
また、上述のような直接的なアニオンの結合体の他に、中性のπ電子共役高分子に食塩のような塩や、イオン性液体のような陽イオン、陰イオン両方を含むイオン性化合物を共存させることで化学平衡的にドーピングを行う方法も用いることができる。
【００８０】
ここで用いることができるイオン液体としては、特に限定されないが例えば陽イオンの種類でピリジン系、脂環族アミン系、脂肪族アミン系のイオン液体が挙げられる。これに組み合わせる陰イオンの種類を選択することで、多様な構造を合成できる。
【００８１】
陽イオンの例としては、イミダゾリウム塩類・ピリジニウム塩類などのアンモニウム系、ホスホニウム系イオン、無機イオンなどが挙げられる。
【００８２】
陰イオンの採用例としては、臭化物イオンやトリフラートなどのハロゲン系、テトラフェニルボレートなどのホウ素系、ヘキサフルオロホスフェートなどのリン系のイオンがある。
【００８３】
π電子共役高分子におけるドーパントの含有量は、該高ドーパントを形成する繰り返し単位２つあたり１分子のドーパントが入る状態を１とする場合に、０．０１〜５の範囲、好ましくは０．１〜２の範囲に調整されれば良い。この範囲最低値以下であると膜の特性が消失し、最大値以上にドーパントを含有すると高分子自体の持つ吸着特性の効果が消滅し、やはり望ましい吸着特性の膜を制御して作成するのが困難になる他、通常は低分子量物質であるドーパントが優勢な膜となるために、膜の耐久性が大幅に低下する。よって、上述の範囲であれば匂い物質としての化学物質の検出感度を好適に維持することが可能である。
【００８４】
また、物質吸着膜の厚さは吸着対象となる物質の特性に応じて適宜選択することが可能である。例としては１０ｎｍ〜１０μｍの範囲とすることができ、好ましくは５０ｎｍ〜８００ｎｍとすることが好ましい。膜厚が１０ｎｍ未満となると十分な感度が得られない。また、１０μｍを越えるとセンサ素子が測定できる重量の上限を超えてしまうため、好ましくない。
【００８５】
＜物質吸着膜の製造方法＞
物質吸着膜１０３の製造方法としては、例えば、溶媒原液を種々溶媒で希釈した後、ドーパント成分を溶解することで膜液を調整した後、マイクロディスペンサなどを用いてセンサ素子表面に滴下する等適宜膜形成方法を選択して製膜することができる。物質吸着膜１０３の製造にはインクジェットによる膜液塗布も採用することができる。
【００８６】
＜センサ＞
次にセンサ全体について説明する。
【００８７】
図４は匂いセンサ１００及び後述する本発明の匂い測定システム１０００の模式図である。匂いセンサ１００は上述したセンサ素子１０１を含んでいる。
【００８８】
本発明の匂いセンサ１００は、センサ素子１０１を複数有することから、その表面に設けられた物質吸着膜１０３の構成を、例えば素子ごとに変えることで様々な特性を有する物質を吸着することが可能であり、その素子の組み合わせは検出の目的に応じて種々変更することが可能である。物質の吸着パターンを検出することにより全体での物質認識パターンを行い、それによりある一群の匂い物質に係る吸着パターンを示すことができる。
【００８９】
従来のいわゆる匂いセンサというものは、匂い原因物質分子を検出するプローブが一つのものがほとんどであり、そのような場合は、匂い物質分子単体の定性的ないしは定量的な測定しかできない。
【００９０】
これに対し、本発明の匂いセンサは、複数のセンサ素子を設けている。また、各センサ素子はそれぞれ異なる特性を有する物質吸着膜を表面上に設けることで、作用させようとする分子に特異的な反応を示す構成をとることができ、更に、各対象とする分子への作用の程度を調整することが可能である。
【００９１】
ここで、用いられるセンサ素子は全て同一の素子構造、すなわちＱＣＭ検出系ならＱＣＭセンサのみからなるアレイ構造を、またＦＥＴ検出系であればＦＥＴセンサのみからなるセンサ素子アレイ構造をとることも可能である。あるいは、前述した素子構造のうち複数のタイプを共存させて素子アレイを構成しても構わない。
【００９２】
一方、物質吸着膜１０３として用いられるπ電子共役高分子は単一膜からなるアレイ構造をとり、ドーパントのみを素子ごとに変えるようなセンサアレイとしてもよいし、π電子共役高分子自体が素子ごとに異なるような構成をとっても良い。また、後者においてもドーパントはπ電子共役高分子とは独立して任意にセンサアレイに配置することができる。
【００９３】
また、こうしたセンサアレイを構成するにあたって、一つ以上のセンサ素子において物質吸着膜を形成しないアレイ構造であっても構わない。これら膜形成しない素子はリファレンスとして用いることができるため、検出精度を担保することが可能となる。
【００９４】
このように、本発明の匂いセンサはセンサ素子本体及び物質吸着膜の構成を組み合わせて用いることが可能であるため、検出対象とする物質の特性に応じて多様なセンサ構成とすることができる。
【００９５】
異なる物質吸着膜１０３を塗布したセンサ素子は被測定対象である匂い原因物質に対して、異なる相互作用をする。これら異なる物質吸着膜を設けたセンサをアレイ上に配置することで、それぞれのセンサ素子の周波数変化を検知、分析して、匂い要因を定性及び定量分析することができる。
【００９６】
例えば、より具体的には、基板上に配置された異なる物質吸着膜を有する各センサ素子の配列規則としてＸ軸方向、Ｙ軸方向の情報としてどの匂い物質を吸着して検出するセンサであるかといったセンサの配列情報と同素子群の周波数変化（吸着特性や相互左右の度合い）の最低３次元からなる定性的な匂いパターンを得ることができる。
【００９７】
ここで、センサ素子や励振電極は任意の導電性材料で形成することができる。例としては、金、銀、白金、クロム、チタン、アルミニウム、ニッケル、ニッケル系合金、シリコン、カーボン、カーボンナノチューブなどの無機材料並びに、ポリピロール、ポリアニリンなどの導電性高分子等有機材料を挙げることができる。
【００９８】
また、例えば、空間軸方向に微妙に濃度分布や化学修飾により疎水性、親水性などの強さを傾斜させた機能傾斜膜を物質吸着膜として用いることで、被測定物質である匂い原因物質に対して各アレイを構成する各センサがそれぞれ少しずつ異なる相互作用をすることができる。
【００９９】
その他にも、各振動子の共振周波数を変化させることで、共存する他の振動子から受ける影響、すなわちクロストークを低減することも可能であり、好ましい。共通基板内の各振動子が異なる感度を示すよう任意に設計することが可能である。
【０１００】
各水晶振動子の共振周波数が同じ場合は、匂い吸着膜の厚みを変化させることで変化させていることも試みられている。加えて、異なる共振周波数の素子（例えば水晶基板の厚みを変えたオーバートーンモード等）を用いることもできる。
【０１０１】
基板の種類としては、シリコン基板、水晶結晶からなる基板、プリント配線基板、セラミック基板、樹脂基板などが用いることができる。また、基板は、インターポーザ基板など多層配線基板であり、水晶基板を励振動させるための励振電極と実装配線、通電するための電極が任意の位置に配置されており、電気的なグラウンドや他の電子回路基板等へ導通するため、例えばバンプへ結線されている。
【０１０２】
センサ素子の形状としては一例として、水晶振動子においてはコンベックス形状がより小型でかつ、振動子内にエネルギーを封じ込め、基板内の各振動子間の干渉を防止し、同時にＱ値の向上が見込まれるなど、より好ましい形状である。
【０１０３】
水晶振動子に厚さ分布を与えたコンベックス形状（レンズ形状または凸上）として、なお、片面を分離型の励振電極（振動用の電圧を入力する電極）にし、導電性膜は励振電極と反対面の対向する位置に設置する構造とすることができる。
【０１０４】
これにより、他の振動モードとの結合を抑制し、振動子にマルチアレイ化した際の水晶振動子間の伝播や反射などの干渉を防止することが可能となることが知られている。そのため、より小型化、低容量化する程、振動子間の距離が短くなり効果も大きくなる。
【０１０５】
同様に、振動エネルギーの封じ込め効果により、Ｑ値及びコンダクタンスを向上することができ、小型化しても振動エネルギーが低下することなく、外部接触の干渉を受けにくい水晶振動子にすることができる。その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させて高感度化される。
【０１０６】
なお、ここで形成されるＱＣＭセンサは逆メサ型あるいはコンベックス型と呼ばれる構造であると、近接した表面実装が可能であるので、小型化のためには好適である。本実施例では、より小型に適したコンベックス型を例にとっているが、より最適な形状があればそれを選択することが可能である。
【０１０７】
また、逆メサの凹内にコンベックスを入れ込んだ凸ハイブリッド型も試みられている。また、円形だけでなく楕円形もＱＣＭ素子の感度（Ｑ値）向上等が見られ、コスト面等を考慮して、より最適なものを用いれば良い。
【０１０８】
センサ本体（信号変換部）の大きさは、その表面上の物質吸着膜が塗布された範囲と同じか、又はそれよりも小さいことが好ましい。現在の技術的制約上、物質吸着膜の塗布面積の縮小に限界があるため、物質吸着膜が塗布された範囲に、複数のセンサ本体（信号変換部）が割り当てられるように構成されていても良い。このようなセンサ本体（信号変換部）の構造としては、複数の微細なＭＯＳＦＥＴから構成されるトランジスタアレイや、電荷結合素子アレイが挙げられ、測定及び小型化の容易さ等の観点から電荷結合素子アレイが特に好ましい。
【０１０９】
以上、本発明の匂いセンサにおけるセンサアレイの構成について、例示したが、本発明がこれに限定されるものではないということは言うまでもない。
【０１１０】
以上のような構成により、物質吸着膜１０３に吸着可能な物質である限り、本発明の匂いセンサはほぼ制限なくあらゆる匂い物質を検出対象とすることが可能となる。また、このような構成により、検出及び特定を所望するだけの数の物質を検出するに必要な数だけセンサ素子を設ければ良く、これにより、匂いそのものに含まれる複数の匂い物質を定量・定性的に測定し、この匂いを全体的に測定することが可能となる。
【０１１１】
本発明の匂い測定システムでは、匂いセンサ１００に配置するセンサ素子１０１を、測定する物質に応じて選定することが可能である。すなわち、検出及び測定する匂い物質に特異的な特性を持つ物質吸着膜１０３及びセンサ本体１０２によるセンサ素子１０１を適宜選択して配置することができる。
【０１１２】
センサ素子１０１の数は少なくとも２つ配置させるため、匂いそのものに含まれる複数の匂い物質をについてそれぞれ特異的に検出することが可能となる。
【０１１３】
また、物質吸着膜の特性や膜厚等を変えることにより、各センサ素子における検出感度を変えることも可能となる。それにより測定対象とする匂い物質の濃度等も測定することが可能である。
【０１１４】
このような構成により、サンプルとして気体中に存在するあらゆる匂い物質について測定が可能となる。更に従来であれば単に匂い物質に含まれている個別の分子の量等からその分子特有の匂いの強弱しか測定できなかったが、センサの検出パターンの組み合わせから測定した匂い物質を具体的な匂い、つまり複数の匂い物質からなる匂いそのものを測定し特定することが可能となる。
【０１１５】
また、本発明の匂いセンサにおいては、検出部１００１がアレイ構造の匂いセンサ１００を有しているため、特定の物質分子に対して特異的に作用するセンサの数及びその配列やセンサの種類を、作用したときのアレイ全体における反応パターンを任意にデザインした上で決めることが可能である。そして、その反応パターンをあらかじめ匂い情報格納部１００４に格納しておくことで、それぞれの匂い物質に対する匂いセンサ１００における反応と照合可能となるため、複数の匂い物質の集合体を測定でき、それにより従来の匂いセンサでは実現できなかった匂い物質を複数含む匂いそのものを測定することが可能になる。
【０１１６】
＜匂い測定方法＞
次に、本システムで用いられる匂い測定方法に関して説明する。
【０１１７】
まず、図４に示される本発明の匂い測定システム１０００の検出部１００１に設けられた匂いセンサ１００と、測定対象となる匂い物質とを接触させる。この接触により匂い物質の分子が取り込まれ、センサ素子１０１の物質吸着膜１０３に物質が吸着される。
【０１１８】
匂いセンサ１００は、少なくとも２つ以上のセンサ素子１０１が配置されたマルチアレイ構造になっている。ここで、各センサ素子１０１はそれぞれ目的とする匂い物質ごとに特有の程度に相互作用をするようになっており、匂いに含まれる様々な匂い原因物質と相互作用するようになっている。このアレイ部分に取り込んだ匂い物質を含む気体を接触させ、それぞれのセンサが示す相互作用の結果をデータとして取得する。
【０１１９】
この相互作用データは、使用するセンサによるが、例えば発光応答であったり、電気抵抗の変化であったり、あるいは振動周波数の変化等、トランスデューサ部から出力される物理情報である。
【０１２０】
これら相互作用データのパターンを測定される特定の匂い要因と関連付けされ、センサアレイ上で反応しているセンサの位置情報やその相互作用の強弱を含む信号情報として測定部１００２で信号情報の取り込み処理を行う。
【０１２１】
続いてデータ処理部１００３で素子の配列情報に測定データパターンの紐付けをするデータ処理を行う。
【０１２２】
つまり、このデータ処理を行った測定データパターンを、例えば図４に示すような出力パターンを発光応答の差異により再現したり、あるいはマトリクスの行列情報として表示したりすることで、その匂いそのものについて可視化もしくは認識容易化することが可能となる。
【０１２３】
また、このデータ処理された相互作用パターン情報を匂いに関わる情報データと共に例えば匂い情報格納部などを設けて格納することでデータベース化し、匂いの再現を行う場合に利用することも可能である。
【０１２４】
［実施形態２］
＜匂いセンサ配列体＞
次に、実施形態２に係る匂いセンサ配列体２０５について説明する。図５は、匂いセンサ配列体２０５の模式図及びその部分拡大図である。図５中、匂いセンサ配列体２０５の最も右上に配置された匂いセンサ２００及びその近傍を含む部分拡大図を円内に示す。図５では、９個のセンサ素子がＹ方向に３個、Ｘ方向に３個で平面状に配列された匂いセンサ２００が、Ｙ方向に５個、Ｘ方向に６個で合計３０個平面状に配列されている場合を示している。各匂いセンサ２００において、９個のセンサ素子２０１は、いずれも互いに異なる物質吸着膜２０３を有している。
【０１２５】
匂いセンサ配列体２０５は、センサ素子２０１を含む匂いセンサ２００が２つ以上配列されたものである。匂いセンサ２００としては、実施形態１において説明した匂いセンサ１００と同様のものを用いることができ、匂い物質を吸着する物質吸着膜２０３と、匂い物質の物質吸着膜２０３への吸着状況を判断する信号変換部と、を有するセンサ素子２０１を２つ以上含むものである。物質吸着膜２０３は、導電性高分子と、導電性高分子の物質特性を変化させるドーパントと、を含む。２つ以上のセンサ素子が有する各々の物質吸着膜２０３は、導電性高分子に対するドーパントの含有割合がそれぞれ異なっている。
【０１２６】
匂いセンサ配列体２０５は、上述の匂いセンサを２つ以上配列したものであるため、２つ以上の異なる位置での匂い物質の吸着状況を検知することができる。これにより、匂い物質又はその匂い物質を含む気体の位置情報を検知することができる。
【０１２７】
２つ以上の異なる位置において物質吸着膜２０３への匂い物質の吸着量を測定することができるため、それぞれの匂いセンサにおける匂い物質の吸着量の違いに基づいて、匂い物質又はその匂い物質を含む気体の移動方向を把握することができる。すなわち、匂い物質の移動方向を検知することができる。例えば、発火前のくすぶっている状態に生じるいわゆる「こげ臭」等を匂いセンサ配列体２０５で検知することにより、そのこげ臭がどの方向から移動してきたかを検知することができ、火元の特定に役立てることが考えられる。
【０１２８】
また、匂いセンサ配列体２０５のそれぞれの匂いセンサでの測定値を時系列で記録することができる。これにより、時間の経過と共に匂い物質が移動した道程を把握することができる。当然、匂いセンサ配列体２０５のそれぞれの匂いセンサに対応する位置における匂い物質の濃度分布及びその遷移過程も把握することができる。
【０１２９】
匂いセンサ配列体２０５に含まれる匂いセンサ２００は、同じであっても異なっていてもよいが、特定の匂い物質の移動方向を把握する場合には、それぞれの匂いセンサ２００が有する少なくとも１種の物質吸着膜２０３を、それぞれの匂いセンサ２００が共通に有していることが好ましい。また、それぞれの匂いセンサ２００が有する物質吸着膜２０３の組み合わせを、それぞれの匂いセンサ２００が共通に有していることがより好ましい。更には、それぞれの匂いセンサ２００が同一のものであることが好ましい。
【０１３０】
匂いセンサ配列体２０５の全体形状は特に限定されないが、例えば、図５に示すように、それぞれ匂いセンサの各センサ素子２０１が平面状に配列され、それぞれの匂いセンサ２００が平面状に配列された平板状の匂いセンサ配列体２０５であってもよい。匂いセンサ配列体２０５の全体形状が平板状であると、壁や天井、床等の任意の平面状の場所への設置が容易である。
【０１３１】
匂いセンサ配列体２０５の全体形状は、表面が匂いセンサ２００で覆われた円筒状や球状であってもよい。このように円筒状や球状のような全体形状とすることにより、匂い物質の移動方向を３次元的に把握することができる。
【０１３２】
匂いセンサ配列体２０５の製造方法としては、特に制限されないが、例えば、電荷結合素子アレイやＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタセンサアレイをセンサ本体（信号変換部）とする場合、ランジスタセンサアレイを、匂いセンサに相当する範囲の区画２０７、その区画２０７の中に更にセンサ素子２０１に相当する範囲の小分画部２０８に区分けした上で、各小分画部２０８にそれぞれ異なる物質吸着膜２０３を形成することができる。
【０１３３】
＜匂いセンサ配列体の応用例＞
図６〜図９を参照しながら、匂いセンサ配列体２０５の一応用例について説明する。ここでは、平板状の匂いセンサ配列体２０５を用いて、水と日本酒とをそれぞれ吸着又は脱着させた場合の各匂いセンサ２００における測定結果を可視化した例を示す。
【０１３４】
図６は水が物質吸着膜に吸着する際の吸着状況の変化を示す説明図である。図７は水が物質吸着膜から脱着する際の吸着状況の変化を示す説明図である。図８は日本酒が物質吸着膜に吸着する際の吸着状況の変化を示す説明図である。図９は日本酒が物質吸着膜から脱着する際の吸着状況の変化を示す説明図である。図６〜図９では、ＸＹ平面上に匂いセンサ配列体２１５，２２５，２３５，２４５を設置し、図中匂いセンサ配列体２１５，２３５の左下の円の位置にサンプルとしての水又は日本酒をサンプル容器２１６，２３６内に配置した場合を示している。水又は日本酒を配置した直後の測定結果を、図６、図８中でそれぞれ「状態１−１」、「状態３−１」と示している。また、水又は日本酒を取り除いた直後の測定結果を、図７、図９中でそれぞれ「状態２−１」、「状態４−１」と示している。そして、水又は日本酒を配置又は取り除いてから一定時間経過後の測定結果を、図６〜図９中でそれぞれ「状態１−２」、「状態２−２」、「状態３−２」、「状態４−２」と、更に一定時間経過後の測定結果を、図６〜図９中でそれぞれ「状態１−３１」、「状態２−３」、「状態３−３」、「状態４−３」と示している。
【０１３５】
各匂いセンサ２００における測定結果を可視化する方法としては、匂い物質が各物質吸着膜２０３へ吸着することに起因する各物質吸着膜２０３の物理的、化学的、又は電気的特性の変化を、その変化量の大きさに応じて、例えば色別や、濃淡で表すことができる。図６〜図９においては、測定結果を変化量の大きさに応じて濃淡で示しており、変化量がゼロ（変化がない）又は小さい場合を薄く、変化量が中程度の場合には中程度に濃く、変化量が大きい場合には更に濃くとのように、変化量が大きくなるに連れて濃淡が濃くなるように示している。図６〜図９では簡便のため濃淡を３段階で示しているが、もちろん色調変化や濃淡変化等のしきい値は適宜自由に設定することができる。
【０１３６】
図６において、水を配置した直後の状態１−１では、変化量がゼロ（変化がない）又は小さいが、一定時間経過後の状態１−２では、変化量が中程度の領域が左下から２／３程度まで、変化量が大きい領域が左下から１／３程度まで進行している。更に一定時間経過後の状態１−３では、匂いセンサ配列体２１５の大部分において変化量が大きくなっており、匂い物質が各匂いセンサ２００の物質吸着膜２０３に吸着している範囲が匂いセンサ配列体２１５の大部分に広がっていることが分かる。更に、状態１−１〜状態１−３のように時系列上で変化を可視化することによって、匂い物質の移動方向を判断することができる。
【０１３７】
図７において、水を取り除いた直後の状態２−１では、上述の状態１−３からほぼ変化がないが、状態２−２、状態２−３と、時間の経過と共に、水の蒸発に伴い匂い物質の脱着が進行し、変化量が大きい領域が縮小していることが分かる。
【０１３８】
図８において、日本酒を配置した直後の状態３−１では、日本酒に含まれる一部の揮発性成分が吸着している。そして、状態３−２、状態３−３と、時間の経過と共に、変化量が大きい領域が拡大していることが分かる。
【０１３９】
図９において、日本酒を取り除いた直後の状態４−１では、上述の状態３−３からほぼ変化がない。しかしながら、水の脱着の場合と比較して、状態４−２、状態４−３において匂い物質の吸着量が依然大きい領域が多く残っていることが分かる。
【０１４０】
図５及び図６における水の吸着及び脱着の際の吸着状況の変化と、図７及び図８における日本酒の吸着及び脱着の際の吸着状況の変化と、の比較からも明らかなように、匂い物質の吸着及び脱着の際の吸着状況の変化は、匂い物質に特異的であると考えられる。そのため、匂いセンサ２００単独での匂いパターンによる匂い物質又はその集合体の判別だけでなく、匂いセンサ配列体２１５，２２５，２３５，２４５を用いた吸着状況の時間的変化も匂い物質又はその集合体の判別に用いることができる。
【０１４１】
各匂いセンサ２００が匂いパターンを検知できることから、その匂いセンサ２００を備えている匂いセンサ配列体２１５，２２５，２３５，２４５は、２つ以上の匂い物質の移動を検知することも可能である。更に、２つ以上の匂い物質が匂いセンサ配列体２１５，２２５，２３５，２４５上で合わさった場合には、２つ以上の匂い物質が合わさった領域における匂いセンサは、その合わさった２つ以上の匂い物質に対応する匂いパターンを検知することができる。これを応用することにより、例えば、香料をブレンドした場合にどのような匂いとなるかを、定性的、定量的に評価し、可視化することも可能となる。
【実施例】
【０１４２】
以下実施例を用いて本発明の匂いセンサの物質吸着膜を有するセンサ素子について更に説明を行う。【０１４３】
実施例１＜導電性高分子及びイオン性液体の組み合わせによる物質吸着膜＞
１）物質吸着膜の調整
本実施例では、導電性高分子としてポリアニリンを用い、以下の通り膜液の調整を行った。【０１４４】
溶媒原液（２％ポリアニリン）をＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）で１０倍に希釈した後、ドーパント成分をアニリン２ユニットに対しモル比１．０になるように量り取り、下記ドーパント成分をＮＭＰに溶解した。【０１４５】
次いで上記０．２％ポリアニリン溶液と上記ドーパント溶液を１：１の割合で混合した。【０１４６】
系１：２％ポリアニリンのみ
系５：２％ポリアニリンに１％の１エチル３メチルイミダゾリウムｐ−トルエンスルホン酸（アニオン系ドーパント）を添加、混合して調整した。【０１４７】
系７：膜無し
ドーパント＝１％１エチル３メチルイミダゾリウムｐ−トルエンスルホン酸（アニオン系ドーパント）【０１４８】
２）サンプル作成：ＱＣＭセンサの表面に０．１μＬの上記膜液を塗布し、乾燥炉にて１００℃１０分で乾燥してセンサ素子を得た。【０１４９】
３）実験条件：温度２５℃、湿度５５％
ガス：空気、Ｈ２Ｏ、エタノール、ＮＨ３
サンプルガスの濃度はそれぞれ１０ｐｐｍとした。【０１５０】
フロー測定：３００秒ごとにサンプルガス−空気−サンプルガス−空気、の順で気体を導入後静止、その後空気を導入することでチャンバー内の空気をリフレッシュしながらサンプルガス導入時の周波数の変化を測定した。【０１５１】
４）結果
本実験の結果を図１０に示す。縦軸はセンサが反応したときの周波数変化を示し、横軸は時間を示す。グラフに示す通り、ドーパント含有物質吸着膜を設けている系５のセンサは各サンプルに対して特異的に反応していることが示された。【０１５２】
実施例２（比較例）＜イオン性液体単体での製膜による試験＞
以下の通りイオン性液体単体で物質吸着膜を作成、試験を行った。【０１５３】
１）膜液調整
系４：１−ブチル−３−メチルイミダリゾウム＝クロリド０．００９６３ｇを１ｍＬのエタノールに溶解し、更にその後エタノールで２倍に希釈した。【０１５４】
系７：１−エチル−３−メルチルイミゾリウムートルエンスルホン酸０．０２１３８ｇを１ｍＬエタノールに溶解、その後更にエタノールで２倍に希釈した。【０１５５】
２）サンプル作成
上記それぞれの系の原液１μＬをＱＣＭセンサ表面にマイクロピペットを用いて滴下した。次いで乾燥炉１００℃、１０分で乾燥し製膜した。【０１５６】
３）条件：温度２５℃、湿度５５％
ガス：ＮＨ３（１０％ＮＨ３及びガラスディッシュに水をいれて湿度調整を行った）、香料（ムスク１ｍＬを４０ｍＬエタノールで溶解したもの）、空気
フロー測定：実施例１と同様の手順で行った。【０１５７】
４）結果
本試験の結果を図１１に示す。グラフの縦軸、横軸は図１０と同様である。グラフに示されている通り、多少の反応はあるものの、特定の物質に特異的な反応を示すところまでではなかった。【０１５８】
実施例３
１）膜液調整
０．４％ポリアニリンを用いて下記イオン液体をドーパントとして混合して膜液を調整した。【０１５９】
Ａ：１−ブチル−３−メチルイミダゾリウム＝クロリド（和光純薬工業０２７−１５２０１）
Ｂ：１−エチル−３−メチルイミダゾリウムｐ−トルエンスルホン酸塩（和光純薬工業０５１−０７３１１）
Ｃ：ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（ソフト型）（混合物）（６２％、水湿潤品）（東京化成（ＴＣＩ）Ｄ１２３８）【０１６０】
膜１：０．４％ポリアニリン＋Ａ
膜２：０．４％ポリアニリン＋Ｂ
膜３：０．４％ポリアニリン＋Ｂ＋０．５％添加剤
膜４：０．４％ポリアニリン＋Ｂ＋２．０％添加剤
膜５：０．４％ポリアニリン＋Ｃ＋０．４％ポリエチレンジオキシチオフェン
調整手順は実施例１と同様にして行った。【０１６１】
２）サンプル作成
実施例１と同様にして行った。【０１６２】
３）実験条件：温度２５度、湿度５５％
サンプルガス：Ｈ２Ｏ、エタノール、ＮＨ３（１５ｐｐｍ）、ウイスキー、日本酒
フロー測定：これらサンプルを揮発させて実施例１と同様に空気でリフレッシュしながらガスをチャンバー内に流入させて測定を行った。【０１６３】
４）結果
結果を図１２から図１６に示す。図１２〜図１６は上記膜１〜５の各サンプルガスの測定結果を示すレーダーチャートである。該チャートが示すように、導電性高分子であるポリアニリンにドーパントであるイオン液体を混合することにより、その混合条件に応じて膜の物質吸着特性が変わることが分かった。【０１６４】
これにより、導電性高分子とドーパントの種類・量などの組み合わせを変えることで様々な物質特異的に匂いを測定することが可能となることが示された。【０１６５】
実施例４
実施例４では、導電性高分子としてポリアニリン、ドーパントとして下記イオン液体Ｌａ〜Ｌｌをそれぞれ用いた物質吸着膜ａ〜ｌに対して、インスタントコーヒー及びドリップコーヒーの匂い物質集合体を吸着させた場合について評価した。なお、膜液の調製、及びサンプル作成やフロー測定は、イオン液体が異なること以外は、実質的に実施例１と同様である。【０１６６】
１）膜液の調製
原料溶液としての２％ポリアニリンをＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）で１０倍に希釈して、０．２％ポリアニリン溶液を調製した。下記列挙のイオン液体をそれぞれ量り取り、ＮＭＰに溶解して、各イオン液体（ドーパント）成分のアニリン２ユニットに対するモル比が１．０となるようにイオン液体Ｌａ〜Ｌｌを調製した。次いで、調製した０．２％ポリアニリン溶液と、イオン液体Ｌａ〜Ｌｌを、体積比１：１で混合し、各膜液を調製した。【０１６７】
イオン液体Ｌａ：１−ブチル−３−メチルイミダゾリウムクロリド
イオン液体Ｌｂ：１−エチル−３−メチルイミダゾリウムｐ−トルエンスルホネート
イオン液体Ｌｃ：メタンスルホン酸
イオン液体Ｌｄ：アンモニウムベンゾエート
イオン液体Ｌｅ：ラウリン酸ナトリウム
イオン液体Ｌｆ：（＋）−３−ブロモカンファー−８−スルホン酸アンモニウム
イオン液体Ｌｇ：リン酸
イオン液体Ｌｈ：１−エチル−３−メチルイミダゾリウム硫酸塩
イオン液体Ｌｉ：酢酸
イオン液体Ｌｊ：ホウ酸
イオン液体Ｌｋ：フェノール
イオン液体Ｌｌ：ベンゼンスルホン酸【０１６８】
２）サンプル作成
調製した各膜液０．１μＬを、ＱＣＭセンサの表面に滴下して塗布し、乾燥炉にて温度１００℃で１０分間乾燥して、物質吸着膜ａ〜ｌをそれぞれ有するセンサ素子を作成した。【０１６９】
３）実験条件：
温度２５℃、湿度５５％
サンプルガス：インスタントコーヒー及びドリップコーヒーの粉末を、それぞれ密閉容器に一定時間載置し、密閉容器内の気体をサンプルガスとした。【０１７０】
フロー測定：チャンバー内にサンプルガスを導入し、３００秒間放置した後、空気を３００秒間導入するというサイクルで、サンプルガスを順次導入した。なお、空気を３００秒間導入することで、チャンバー内のサンプルガスを追い出し、リフレッシュさせる。【０１７１】
４）結果
サンプルガスを導入した場合のＱＣＭセンサの周波数変化のピーク値をそれぞれ結果１又は結果２の測定値として、図１７又は図１８のレーダーチャートに示した。図１７は、実施例４の結果１を示すレーダーチャートであり、インスタントコーヒーの匂い物質集合体を物質吸着膜ａ〜ｌに吸着させた場合の結果を示す。図１８は実施例４の結果２を示すレーダーチャートであり、ドリップコーヒーの匂い物質集合体を物質吸着膜ａ〜ｌに吸着させた場合の結果を示す。【０１７２】
以上、物質吸着膜を設けたセンサ素子について実施例を用いて説明したが、本発明がこれに限定されるものではないということは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１７３】
従来匂いのもととなる物質を単体でしか検出できなかったセンサ等と異なり、本発明の匂いセンサの物質吸着膜を設けたセンサ素子によるセンサは、物質が複数、複雑に混在している状態であっても、その検出パターンに基づいて匂いそのものを検出することができるという、いわば「第二の鼻」を提供することが可能となる。【０１７４】
従って、本発明は化学工業などで多用されるガスセンサの代替として用いることを目的としているものではなく、例えば食品や飲料などの多種多数の化学種から構成され複雑な匂いを有する製品の品質管理や、匂い製品の官能試験の代替、文房具や日用品の匂い設計、など様々な分野で匂いそのもののパターン化、分析に用いられ得るものである。これにより、様々な状況において、匂いに基づくセンシングが可能となる。【０１７５】
例えば医療分野においては現在様々な疾患治療・診断において人体の匂いを用いた技術の開発が検討されているが、そのような分野においても本発明は有効に利用可能である。【０１７６】
あるいは、現在のＩｏＴ（モノのインターネット）社会においては、本発明の匂いセンサ、匂い測定システムを用いて、匂いのパターン測定により匂いを記録し、それに基づいてバーチャル空間における匂い再生システムを提供したりやユーザーが匂いを感じられないネット販売等において匂いをイメージとして表示するようなこと等も可能となる。
【符号の説明】
【０１７７】
１００，２００：匂いセンサ                １０１，２０１：センサ素子
１０２：センサ素子本体                    １０３，２０３：物質吸着膜
２０５，２１５，２２５，２３５，２４５：匂いセンサ配列体
２０７：区画                              ２０８：小分画部
２１６，２３６：サンプル容器              １０００：匂い測定システム
１００１：検出部                          １００２：データ処理部
１００３：解析部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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