(57)【要約】【課題】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を可能にした分子検出装置を提供する。【解決手段】実施形態の分子検出装置１は、被検出分子２を含む検出対象ガス３を捕集する捕集部１０と、被検出分子を希釈および／または濃縮し、被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３を生成する濃度調整部２０と、濃度調整部２０で生成された複数の検出対象ガス３が順に導入され、複数の検出対象ガス３中の被検出分子２の濃度に基づく検出信号をそれぞれ出力する複数の検出セルを備える検出部３０と、複数の検出セルから出力された被検出分子２の濃度に基づく検出信号の変化傾向により被検出分子２を識別する識別部４０とを具備する。【選択図】図１
2018155693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出分子を含む検出対象ガスを捕集する捕集部と、
前記捕集部で捕集された前記検出対象ガス中の前記被検出分子を希釈および／または濃縮し、前記捕集部で捕集された前記検出対象ガスを含む、前記被検出分子の濃度が異なる複数の前記検出対象ガスを生成する濃度調整部と、
前記濃度調整部で生成された前記複数の検出対象ガスが順に導入され、前記複数の検出対象ガス中の前記被検出分子の濃度に基づく検出信号をそれぞれ出力する複数の検出セルを備える検出部と、
前記複数の検出セルから出力された前記被検出分子の濃度に基づく前記検出信号の変化傾向により前記被検出分子を識別する識別部と
を具備する分子検出装置。
【請求項２】
前記複数の検出セルは、それぞれ、センサー部と、前記センサー部に設けられ、前記被検出分子を捕捉する有機物プローブとを有する、請求項１に記載の分子検出装置。
【請求項３】
前記センサー部は、グラフェン層と、前記グラフェン層に接続されたソース電極およびドレイン電極とを有する電界効果トランジスタを備え、
前記有機物プローブは、前記グラフェン層に設けられている、請求項２に記載の分子検出装置。
【請求項４】
前記濃度調整部は、前記被検出分子を含む前記検出対象ガスが導入され、前記被検出分子を吸着および脱離することが可能な吸着器を具備し、前記吸着器で前記被検出分子を吸着させて希釈した前記検出対象ガスを生成する、または前記吸着器で吸着された前記被検出分子を脱離させて濃縮した前記検出対象ガスを生成する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の分子検出装置。
【請求項５】
前記濃度調整部は、前記被検出分子を含む前記検出対象ガスの一部が導入され、前記被検出分子を吸着する吸着器と、前記吸着器で前記被検出分子を吸着させた前記検出対象ガスを、前記検出対象ガスの他の一部と混合することによって、前記被検出分子が希釈された前記検出対象ガスを生成する混合部とを具備する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の分子検出装置。
【請求項６】
前記濃度調整部は、前記被検出分子を含む前記検出対象ガスが導入され、前記被検出分子を吸着および脱離することが可能な吸着器と、前記被検出分子を吸着した前記吸着器を加熱して前記被検出分子を脱離させ、前記被検出分子を濃縮した前記検出対象ガスを生成する加熱器とを有する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の分子検出装置。
【請求項７】
被検出分子を含む検出対象ガスを捕集する工程と、
前記捕集された検出対象ガスを、複数の検出セルを備える検出部に送り、前記検出対象ガス中の前記被検出分子の濃度に基づく第１の検出信号を出力する第１の検出工程と、
前記捕集された検出対象ガスの前記被検出分子を希釈または濃縮し、前記被検出分子が希釈または濃縮された前記検出対象ガスを、前記複数の検出セルを備える前記検出部に送り、前記希釈または濃縮された検出対象ガス中の前記被検出分子の濃度に基づく第２の検出信号を出力する第２の検出工程と、
前記第１および第２の検出工程における前記複数の検出セルから出力された前記被検出分子の濃度に基づく前記第１および第２の検出信号の変化傾向により前記被検出分子を識別する工程と
を具備する分子検出方法。
【請求項８】
前記第１および第２の検出工程は、前記検出セルのセンサー部に設けられた有機物プローブにより前記被検出分子を捕捉し、前記有機物プローブが前記被検出分子を捕捉することにより前記センサー部に生じる電気的変化を前記第１または第２の検出信号として出力する、請求項７に記載の分子検出方法。
【請求項９】
前記第２の検出工程は、前記検出対象ガスの前記被検出分子を吸着器で吸着する工程と、前記吸着器で前記被検出分子を吸着させて希釈した前記検出対象ガスにより前記第２の検出信号を出力する、または前記吸着器で吸着された前記被検出分子を脱離させて濃縮した前記検出対象ガスにより前記第２の検出信号を出力する工程とを備える、請求項７または請求項８に記載の分子検出方法。
【請求項１０】
前記第２の検出工程は、吸着器に前記検出対象ガスの一部を導入し、前記被検出分子を前記吸着器で吸着する工程と、前記吸着器で前記被検出分子を吸着された前記検出対象ガスを、前記検出対象ガスの他の一部と混合することによって、前記被検出分子が希釈された前記検出対象ガスを生成し、前記希釈された検出対象ガスにより前記第２の検出信号を出力する工程とを備える、請求項７または請求項８に記載の分子検出方法。
【請求項１１】
前記第２の検出工程は、前記被検出分子を吸着および脱離することが可能な吸着器に前記検出対象ガスを導入し、前記被検出分子を前記吸着器で吸着する工程と、前記被検出分子を吸着した前記吸着器を加熱して前記被検出分子を脱離させ、前記被検出分子を濃縮した前記検出対象ガスを生成し、前記濃縮された検出対象ガスにより前記第２の検出信号を出力する工程とを備える、請求項７または請求項８に記載の分子検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、分子検出装置および分子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
家庭用の温水器等には、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。
【０００３】
災害現場やテロ行為が行われた現場等においては、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望まれている。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装置が求められている。
【０００４】
低濃度のガス成分の検出素子としては、例えばカーボンナノ構造体の表面を特定物質と選択的に反応または吸着する有機物質等で表面修飾した導電層を有し、カーボンナノ構造体の表面に付着したガス成分により変化する電位差等を検出信号として出力する素子が知られている。このような検出素子では、例えば空気中から取得したガス中に検出対象のガス成分と類似の成分等が不純物として混入している場合に、検出対象のガス成分を正確に検出できないおそれがある。さらに、空気中から取得したガスを上記したような検出素子を有する検出部に単に導入する構成では、取得したガス中の検出対象成分（ガス分子）の濃度は１点であるため、検出素子の状態等によっては検出信号に誤差が生じるおそれがある。そのような場合には、ガス成分の検出精度を高めることが難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０１９６８８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３９２６９号公報
【特許文献３】特開２０１５−５１５６２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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を可能にした分子検出装置および分子検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の分子検出装置は、被検出分子を含む検出対象ガスを捕集する捕集部と、前記捕集部で捕集された前記検出対象ガス中の前記被検出分子を希釈および／または濃縮し、前記捕集部で捕集された前記検出対象ガスを含む、前記被検出分子の濃度が異なる複数の前記検出対象ガスを生成する濃度調整部と、前記濃度調整部で生成された前記複数の検出対象ガスが順に導入され、前記複数の検出対象ガス中の前記被検出分子の濃度に基づく検出信号をそれぞれ出力する複数の検出セルを備える検出部と、前記複数の検出セルから出力された前記被検出分子の濃度に基づく前記検出信号の変化傾向により前記被検出分子を識別する識別部とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の分子検出装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示す分子検出装置の変形例を示すブロック図である。
【図３】実施形態の分子検出装置における濃度調整部を示す図である。
【図４】図３に示す濃度調整部の動作を説明するための図である。
【図５】図３に示す濃度調整部の動作を説明するための図である。
【図６】図３に示す濃度調整部の動作を説明するための図である。
【図７】実施形態の分子検出装置における検出器を示す図である。
【図８】実施形態の検出セルの一例を示す図である。
【図９】実施形態の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。
【図１０】実施形態の検出器による検出結果の一例を示す図である。
【図１１】実施形態の検出器による検出結果の他の例を示す図である。
【図１２】実施形態の検出器による検出結果の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態の分子検出装置および分子検出方法について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、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。
【００１０】
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した被検出分子（被検出物）２を含む検出対象ガス３から被検出分子２を検出する装置であり、捕集部１０と濃度調整部２０と検出部３０と識別部４０とを備えている。被検出分子（被検出ガス分子）２を含む検出対象ガス３は、まず分子検出装置１の捕集部１０で捕集される。捕集部１０は、検出対象ガス３の捕集口を有しており、ガス流路を介して濃度調整部２０に接続されている。捕集部１０は、検出対象ガス３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。
【００１１】
検出対象ガス３は、被検出分子２に類似する分子量や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、空気中に漂う被検出分子２は図２に示すように、におい成分や微粒子等の様々な夾雑物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、検出対象ガス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等で前処理した後に、分子検出装置１に送るようにしてもよい。
【００１２】
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等が用いられる。フィルタ装置５において、検出対象ガス３中に含まれる微粒子等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検出対象ガス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、例えば、検出対象ガス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被検出分子２のイオン化物質を分離する装置が挙げられる。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等が用いられる。
【００１３】
被検出分子２を含む検出対象ガス３は、直接もしくはフィルタ装置５や分子分配装置６等の装置で前処理された後に捕集部１０で捕集される。捕集部１０で捕集された被検出分子２を含む検出対象ガス３は、濃度調整部２０に送られる。濃度調整部２０は、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３中の被検出分子を希釈および／または濃縮することによって、被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３を生成するものである。濃度が異なる複数の検出対象ガス３は、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３、すなわち被検出分子２の濃度が希釈または濃縮されていない検出対象ガス３を含んでいる。このような濃度調整部２０を捕集部１０と検出部３０との間に介在させることによって、検出部３０には被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３が送られる。検出部３０では、複数の検出対象ガス３中の濃度が異なる被検出分子２の検出が行われる。これによって、検出部３０で被検出分子２の濃度に対する検出信号の相関を得ることができる。
【００１４】
濃度調整部２０の構成は、検出対象ガス３中の被検出分子２を希釈および／または濃縮することができ、これにより被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３を生成することが可能であれば、特に限定されるものではない。図３は濃度調整部２０の構成の一例を示している。図３に示す濃度調整部２０は、被検出分子２を吸着する吸着器２１と、吸着器２１を加熱する加熱器２２とを有している。吸着器２１としては、被検出分子２を吸着および脱離することが可能な吸着剤、例えばテナックス（Ｔｅｎａｘ：登録商標、東方テナックス社製）のような有機系吸着剤やカーボン吸着剤のような無機系吸着剤をガラス管等に充填した吸着器が用いられる。加熱器２２は、被検出分子２を吸着した吸着器２１を加熱し、吸着剤から被検出分子２を脱離させて吸着器２１を再生したり、あるいは吸着剤から被検出分子２を脱離させて濃縮した検出対象ガス３の生成に用いられる。
【００１５】
濃度調整部２０に送られた検出対象ガス３が吸着器２１を通過すると、検出対象ガス３中の被検出分子２が吸着器２１に吸着される。被検出分子２が吸着された検出対象ガス３を、捕集部１０から送られた被検出分子２を含む検出対象ガス３に混合することによって、被検出分子２が希釈された検出対象ガス３を得ることができる。この際、吸着器２１で被検出分子２の一部のみを吸着することが可能な場合には、検出対象ガス３を吸着器２１を通過させることによって、被検出分子２が希釈された検出対象ガス３を生成することができる。さらに、被検出分子２を吸着した吸着器２１から被検出分子２を脱離させることによって、被検出分子２が濃縮された検出対象ガス３を生成することができる。
【００１６】
図３ないし図６を参照して、濃度調整部２０の具体的な構成とそれを用いた被検出分子２を希釈および／または濃縮する手順について説明する。図３ないし図６に示す濃度調整部２０は、被検出分子２を含む検出対象ガス３を捕集部１０から検出部３０に直接送る第１のガス流路Ｐ１と、第１のガス流路Ｐ１の途中から枝分かれし、吸着器２１が設置された第２のガス流路Ｐ２とを備えている。濃度調整部２０は、さらに吸着器２１を加熱して吸着された被検出分子２を脱離させる加熱器２２を備えている。第２のガス流路Ｐ２の両端は、第１のガス流路Ｐ１に接続されている。第２のガス流路Ｐ２においては、被検出分子２を含む検出対象ガス３が捕集部１０から吸着器２１を介して検出部３０に送られる。第１のガス流路Ｐ１は、第１のバルブＶ１を有している。第２のガス流路Ｐ２は、吸着器２１の前後に配置された第２のバルブＶ２および第３のバルブＶ３を有している。
【００１７】
図４は、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３を、希釈および濃縮することなく、検出部３０に送る状態を示している。すなわち、第１のガス流路Ｐ１に設けられた第１のバルブＶ１を開状態とすると共に、第２のガス流路Ｐ２に設けられた第２および第３のバルブＶ２、Ｖ３を閉状態とすることによって、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３は、希釈および濃縮されるこくとなく検出部３０に直接送られる。この状態で一定流量の検出対象ガス３を濃度調整部２０に送ることによって、第１の濃度を有する被検出分子２を含む検出対象ガス３を検出部３０に送ることができる。
【００１８】
図５は、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３を、希釈して検出部３０に送る状態の一例を示している。すなわち、第１のガス流路Ｐ１に設けられた第１のバルブＶ１を開状態とすると共に、第２のガス流路Ｐ２に設けられた第２および第３のバルブＶ２、Ｖ３を開状態とすることによって、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３の一部は吸着器２１を通過して検出部３０に送られ、検出対象ガス３の他の一部は吸着器２１を通過することなく検出部３０に送られる。第２のガス流路Ｐ２は、検出部３０の前段で第１のガス流路Ｐ１と合流している。従って、被検出分子２を吸着器２１で吸着した検出対象ガス３を、第１のガス流路Ｐ１を通過する検出対象ガス３に混合することによって、被検出分子２を希釈した検出対象ガス３を生成することができる。
【００１９】
この状態で一定流量の検出対象ガス３を濃度調整部２０に送ることによって、被検出分子２が希釈された第２の濃度を有する検出対象ガス３を検出部３０に送ることができる。第２のガス流路Ｐ２の第１のガス流路Ｐ１への合流部は、被検出分子２を吸着した検出対象ガス３と、第１のガス流路Ｐ１を通過する検出対象ガス３との混合部として機能する。さらに、第１および第２のガス流路Ｐ１、Ｐ２に流量制御弁等を設けておき、第１のガス流路Ｐ１を流れる検出対象ガス３と第２のガス流路Ｐ２を流れる検出対象ガス３との混合比率を調整して希釈程度を異ならせることによって、希釈された被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３を得ることも可能である。
【００２０】
なお、被検出分子２の一部のみを吸着する吸着器２１を用いた場合には、第１のガス流路Ｐ１に設けられた第１のバルブＶ１を閉状態とすると共に、第２のガス流路Ｐ２に設けられた第２および第３のバルブＶ２、Ｖ３を開状態とすることによって、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３を吸着器２１を通過させ、検出対象ガス３中の被検出分子２の一部のみを吸着器２１で吸着させることができる。このため、吸着器２１を通過した検出対象ガス３は被検出分子２が希釈された状態となる。この状態で一定流量の検出対象ガス３を濃度調整部２０に送ることによって、被検出分子２が希釈された第２の濃度を有する検出対象ガス３を検出部３０に送ることができる。
【００２１】
図６は、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３を、濃縮して検出部３０に送る状態の例を示している。吸着器２１には、検出対象ガス３中の被検出分子２を吸着すると共に、加熱することにより被検出分子２が脱離することが可能なものを使用する。まず、第１のガス流路Ｐ１に設けられた第１のバルブＶ１を閉状態とすると共に、第２のガス流路Ｐ２に設けられた第２および第３のバルブＶ２、Ｖ３を開状態として、捕集部１０で捕集された検出対象ガス３を吸着器２１を通過させる。検出対象ガス３中の被検出分子２は、吸着器２１に吸着される。ある程度の量の被検出分子２を吸着器２１に吸着させた後、第２のバルブＶ２を閉状態として、吸着器２１を加熱器２２で加熱して被検出分子２を脱離させることによって、被検出分子２が濃縮された第３の濃度を有する検出対象ガス３を検出部３０に送ることができる。この際、第２のバルブＶ２を開状態とし、キャリアガスの代わりに検出対象ガス３を濃度調整部２０に送るようにしてもよい。さらに、吸着器２１に吸着させる被検出分子２の量を調整して濃縮程度を異ならせることによって、濃縮された被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３を得ることも可能である。
【００２２】
上述したように、検出対象ガス３を捕集部１０から検出部３０に直接送る第１のガス流路Ｐ１と、被検出分子２の吸着および脱離が可能な吸着器２１を有する第２のガス流路Ｐ２とを備える濃度調整部２０を用いることによって、捕集部１０で捕集した状態の被検出分子２の濃度（第１の濃度）を有する検出対象ガス３、被検出分子２を吸着器２１で吸着して希釈した濃度（第２の濃度）を有する検出対象ガス３、および吸着器２１を加熱して被検出分子２を脱離させて濃縮した濃度（第３の濃度）を有する検出対象ガス３を生成することができる。このような被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３を検出部３０に順に送ることによって、検出部３０で被検出分子２の濃度に対する検出信号の相関を得ることができる。被検出分子２の濃度が異なる検出対象ガス３の種類は、少なくとも２種類あればよく、さらに３種類以上あることが好ましい。４種類またはそれ以上の検出対象ガス３は、希釈程度や濃縮程度を調整することにより生成することができる。
【００２３】
濃度調整部２０で調整された被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３は、検出部３０に順に送られる。検出部３０は、複数の検出対象ガス３中の被検出分子２の濃度に基づいて、それぞれ検出信号を出力するように構成されている。検出部３０は、図７に示すように、複数の検出セル３０１に区画された検出面３０Ａを備えている。検出部３０の検出面３０Ａは、濃度調整部２０の第１のガス流路Ｐ１のガス導出口に向けて配置されている。複数の検出セル３０１は、それぞれセンサー部３１およびセンサー部３１に設けられた有機物プローブ３２を有する検出素子３３を備えている。図７はセンサー部３１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３３を示している。なお、センサー部３１はＧＦＥＴに限られるものではなく、カーボンナノチューブのようなカーボンナノ構造体を用いたセンサーであってもよい。
【００２４】
センサー部３１としてのＧＦＥＴは、ゲート電極として機能する半導体基板３４と、半導体基板３４上にゲート絶縁層として設けられた絶縁膜３５と、絶縁膜３５上にチャネルとして設けられたグラフェン層３６と、グラフェン層３６の一端に設けられたソース電極３７と、グラフェン層３６の他端に設けられたドレイン電極３８とを備えている。ＧＦＥＴ３１のグラフェン層３６上には、有機物プローブ３２が設けられている。検出部３０に導かれた被検出分子２は、グラフェン層３６上に設けられた有機物プローブ３２に捕捉される。有機物プローブ３２に捕捉された被検出分子２とＧＦＥＴ３１との間で電子の移動等が起こることによって、センサー部３１に生じる電気的な変化が検出信号として出力される。このようにして、目的とする被検出分子２が選択的に検出される。
【００２５】
有機物プローブ３２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３６に有機物プローブ３２を設置することができる。有機物プローブ３２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持つ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３６上に有機物プローブ３２を設置することができる。
【００２６】
グラフェン層３６上に設けられた有機物プローブ３２に被検出分子２が捕捉されると、ＧＦＥＴ３１の出力、例えばドレイン電流値が変化する。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３７とドレイン電極３８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３５がシリコン酸化膜程度の誘電率の場合には、ソース電極３７とドレイン電極３８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３６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。
【００２７】
有機物プローブ３２の近傍に飛来した被検出分子２は、水素結合の力等により有機物プローブ３２に引き付けられ、場合によっては接触する。被検出分子２の接触が起こると、被検出分子２と有機物プローブ３２との間で電子のやり取りが発生し、有機物プローブ３２が接するグラフェン層３６に電気的変化を伝える。有機物プローブ３２からグラフェン層３６に伝えられた電気的変化は、ソース電極３７とドレイン電極３８との間の電気の流れを乱すため、ＧＦＥＴ３１がセンサーとして機能する。
【００２８】
グラフェン層３６をチャネルとして用いたＧＦＥＴ３１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３３を構成することができる。ＧＦＥＴ３１を用いたセンサーは、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３４に電圧を加えなくともソース電極３７とドレイン電極３８との間に電流が流れる傾向もみられる。従って、このままでもセンサーとして機能するが、通常はゲート電極３４に電圧を加えた状態でソース電極３７とドレイン電極３８との間に電流を流し、有機物プローブ３２で被検出分子２を捕捉した際のゲート電極３４の電気的変化やドレイン電流の変化等を観測する。
【００２９】
上記した検出素子３３による被検出分子２の検出において、有機物プローブ３２に捕捉された被検出分子２からＧＦＥＴ３１への電子の移動が高いほどセンサーとしての機能が高くなる。ＧＦＥＴ３１を用いたセンサーは、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、ＧＦＥＴ３１と有機物プローブ３２とを組み合わせた検出素子３３を用いることによって、被検出分子２の高感度な検出が可能になる。
【００３０】
図７は複数の検出セル３０１を格子状（アレイ状）に配列した検出面３０Ａを示しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。複数の検出セル３０１は直線状に配列されていてもよい。複数の検出セル３０１のグラフェン層３６にそれぞれ設けられた有機物プローブ３２のうち、少なくとも一部は被検出分子２との結合強度や被検出分子２と結合した際の電気的変化等が異なっている。すなわち、複数の検出セル３０１は被検出分子２との結合強度やそれに基づく電気的変化等が異なる複数の有機物プローブ３２を備えている。全ての有機物プローブ３２が被検出分子２との結合強度やそれに基づく電気的変化等が異なっていてもよいし、一部の有機物プローブ３２が被検出分子２との結合強度やそれに基づく電気的変化等が異なっていてもよい。なお、被検出分子２との結合強度やそれに基づく電気的変化等が異なる有機物プローブ３２に代えて、グラフェン層３６上における有機物プローブ３２の密度を変えるようにしてもよい。
【００３１】
図８は検出部３０の検出面３０Ａを４つの検出セル３０１、すなわち検出セルＡ、検出セルＢ、検出セルＣ、および検出セルＤに分割した格子状センサーを示している。検出セルＡ〜Ｄ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３２、すなわち被検出分子２との結合強度やそれに基づく電気的変化等が異なる複数の有機物プローブ３２が設けられている。複数の有機物プローブ３２は、それぞれ被検出分子２と相互作用を有するが、被検出分子２との作用強度（結合強度）やそれに基づく電気的変化等が異なるため、検出信号の強度や被検出分子２の濃度に対する検出信号の相関等が異なる。
【００３２】
図９は検出セルＡ〜Ｄのグラフェン層３６上に設けられる有機物プローブ３２の一例を示している。有機物プローブ３２を構成する有機化合物のうち、有機化合物１〜３、５〜６は被検出分子２に対する反応基としてヒドロキシ基（−ＯＨ）を有している。有機化合物４は、反応基としてアミノ基（−ＮＨ２）を有している。ただし、このような反応基のみではほとんどガス成分と反応しない。水素結合性を高めるために、反応基の隣接部位に誘起効果に優れる官能基（隣接基）を導入した有機化合物を使用する。
【００３３】
反応基であるヒドロキシ基（−ＯＨ）に対する隣接基としては、トリフルオロメチル基（−ＣＦ３）やヘキサフルオロエチル基（−Ｃ２Ｆ５）等のフッ素原子で置換したアルキル基、シアノ基（−ＣＮ）、ニトロ基（−ＮＯ２）、−ＣＨＮ基等の窒素を含む官能基、メチル基（−ＣＨ３）やエチル基（−Ｃ２Ｈ５）等のアルキル基が挙げられる。有機化合物１、５は、反応基（−ＯＨ）の隣接基としてトリフルオロメチル基（−ＣＦ３）を有している。有機化合物２は、反応基を含む官能基として−ＣＨＮ−ＯＨ基を有している。有機化合物３は、反応基（−ＯＨ）の隣接基としてシアノ基（−ＣＮ）を有している。有機化合物６は、反応基（−ＯＨ）の隣接基としてメチル基（−ＣＨ３）を有している。反応基であるアミノ基（−ＮＨ２）に対する隣接基としては、エーテル結合基（−Ｏ−）が挙げられる。有機化合物４は、反応基を含む官能基として−Ｏ−ＮＨ２基を有している。
【００３４】
図９に示す有機化合物１〜６は、有機物プローブ３２を構成する有機化合物の一例を示すものであり、有機物プローブ３２は有機化合物１〜６に限定されない。有機物プローブ３２は、図９の有機化合物１に示すように、ヒドロキシ基やアミノ基等の反応基と上述したような隣接基とを有するヘッド部ＨＳと、グラフェン層３６等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とを有する有機化合物で構成することが好ましい。ヘッド部ＨＳは、反応基と隣接基を有する１価の芳香族炭化水素基であることが好ましく、さらに反応基と隣接基が同一の炭素に結合したアルキル基（炭素数：１〜５程度）を有するフェニル基であることがより好ましい。
【００３５】
ベース部ＢＳは、ピレン環、アントラセン環、ナフタセン環、フェナントレン環等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２価基であり、メチレン基やエチレン基等のアルキレン基であってもよいし、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−）等であってもよい。また、ヘッド部ＨＳとベース部ＢＳとは、直接結合されていてもよい。
【００３６】
上述したような有機物プローブ３２を構成する有機化合物において、反応基の種類、反応基に対する隣接基の種類や数等によって、被検出分子２との結合強度や被検出分子２との間での電子の移動状況等を調整することができる。例えば、有機化合物６の隣接基（ＣＨ３基）は、有機化合物１の隣接基（ＣＦ３基）と種類が異なる。トリフルオロメチル基は、電気陰性度が高いフッ素により反応基（ＯＨ基）の活性を高める効果が大きいのに対し、メチル基はそのような効果が小さい。従って、被検出分子２との結合強度等を異ならせることができる。有機化合物５は、有機化合物１とは隣接基（ＣＦ３基）の数が違うため、被検出分子２との結合強度が相違する。有機化合物２〜４は、有機化合物１と反応基を含む官能基の種類が異なるため、被検出分子２との結合強度等が相違する。
【００３７】
このように、有機物プローブ３２を構成する有機化合物の種類に応じて、被検出分子２との結合強度、被検出分子２との間での電子の移動状況、それらに基づく電気的変化等が調整される。また、検出セル３０１に設置する有機物プローブ３２の密度、あるいは複数の有機物プローブ３２を混合して使用し、その際の混合比率等を調整することによっても、被検出分子２との関係性を調整することができる。有機物プローブ３２の被検出分子２との結合強度やそれらの間での電子の移動状況等の違いに基づいて、検出セルＡ〜Ｄからの検出信号の被検出分子２の濃度に対する相関関係が相違する。例えば、有機物プローブ３２の種類や設置密度等によって、検出対象ガス３中の被検出分子２の濃度を変化させた際の検出信号の変化傾向が相違する。
【００３８】
図１０ないし図１２に、検出対象ガス３中の被検出分子２の濃度を変化させた際の検出信号の変化傾向の代表例を示す。図１０ないし図１２は、検出セル３０１の検出信号として、センサー部３１にＧＦＥＴを用いた検出素子３３のドレイン電流の変化を示している。図１０は被検出分子２の濃度の増加に伴って検出信号（ドレイン電流値）も増加する例を示している。図１１は被検出分子２の濃度が増加しても検出信号（ドレイン電流値）がほとんど変化しない例を示している。図１２は被検出分子２の濃度が増加した際に、検出信号（ドレイン電流値）は逆に減少する例を示している。図１０ないし図１２に示すように、検出セル３０１に適用する有機物プローブ３２の種類等によって、被検出分子２の濃度に基づく検出信号の変化傾向が相違する。このような被検出分子２の濃度に基づく検出信号の変化傾向を検知することによって、被検出分子２を識別することができる。
【００３９】
検出セルＡ〜Ｄで検出された信号は、識別部４０に送られて信号処理される。例えば、識別部４０はまず、第１の濃度の被検出分子２を含む第１の検出対象ガス３を検出することによって、検出セルＡ〜Ｄから出力される第１の検出信号の強度を記憶する。次いで、識別部４０は第１の検出対象ガス３より被検出分子２が希釈された第２の濃度の被検出分子２を含む第２の検出対象ガス３を検出することによって、検出セルＡ〜Ｄから出力される第２の検出信号の強度を記憶する。さらに、識別部４０は第１の検出対象ガス３より被検出分子２が濃縮された第３の濃度の被検出分子２を含む第３の検出対象ガス３を検出することによって、検出セルＡ〜Ｄから出力される第３の検出信号の強度を記憶する。第２の検出信号および第３の検出信号のうち、少なくとも一方の検出信号が記憶されればよいが、両方の検出信号を記憶することがより好ましい。
【００４０】
この時点においては、第１ないし第３の検出信号を検出した際の被検出分子２の具体的な濃度は不明であるものの、第２の検出信号は第１の検出信号より低濃度側での検出信号であり、第３の検出信号は第１の検出信号より高濃度側での検出信号であることが判明している。従って、各検出セルＡ〜Ｄによる第１ないし第３の検出信号に基づいて、各検出セルＡ〜Ｄ毎に被検出分子２の濃度と検出信号との相関（変化傾向）、すなわち図１０ないし図１２のいずれの濃度と検出信号との相関を有しているのかが解析される。例えば、検出セルＡは被検出分子２の濃度の増加に応じて検出信号の強度が増加し、検出セルＢは被検出分子２の濃度の増加に応じて検出信号の強度が増加し、検出セルＣは被検出分子２の濃度の増加に応じて検出信号の強度が減少し、検出セルＤは被検出分子２の濃度が増加しても検出信号の強度がほとんど変化しない、というように、検出セルＡ〜Ｄ毎に被検出分子２の濃度と検出信号との相関（変化傾向）が解析される。
【００４１】
識別部４０には、検出する物質に応じて検出セルＡ〜Ｄ毎に被検出分子２の濃度と検出信号との相関が記憶されている。記憶されている検出信号との相関と、検出された濃度と検出信号との相関とを、それぞれ検出セルＡ〜Ｄ毎に比較することによって、検出部３０で検出された被検出分子２の識別が行われる。被検出分子２の識別に使用される濃度と検出信号との相関は、図１０ないし図１２に示したように、被検出分子２の濃度の増加に応じて検出信号の強度が単に増加、減少、またはほとんど変化しないというような単純な変化傾向に限定されるものではない。例えば、被検出分子２の濃度の増加に応じた検出信号の強度の変化率、すなわち増加率や減少率を加味してもよい。
【００４２】
例えば、検出セルＡおよび検出セルＢが共に被検出分子２の濃度の増加に応じて検出信号の強度が増加するときに、これら検出セルＡ、Ｂの濃度の増加に対する検出信号の強度の増加率が異なる場合、具体的には検出セルＡの方が検出セルＢより同一の濃度増加に対して検出信号の強度の増加率が大きい場合、これら検出セルＡ、Ｂの検出信号の強度の増加率の違いを被検出分子２の識別に利用することができる。被検出分子２の濃度の増加に対して検出信号の強度が減少する場合も同様であり、被検出分子２の濃度の増加に対して検出信号の強度の減少率の違いを被検出分子２の識別に利用することができる。このように、被検出分子２の濃度の増加に対する検出信号の強度の増加率や減少率の違いを被検出分子２の識別に利用することによって、複数の検出セルＡ〜Ｄによる被検出分子２の識別をより正確に行うことが可能になる。
【００４３】
上述したように、複数の検出対象ガス３中の被検出分子２の濃度差に基づいて、複数の検出セルＡ〜Ｄによる検出信号の強度が増加、減少、またはほとんど変化しないというような変化傾向を被検出分子２の識別に利用することによって、被検出分子２を正確に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（被検出分子２）を選択的にかつ高感度に検出することが可能になる。例えば、１つの検出対象ガス３中の被検出分子２の濃度に基づく複数の検出セル３０における検出素子３３の検出信号の強度差（絶対値としての信号強度差）等により被検出分子２を識別した場合、検出素子３３のデバイス特性のバラツキ等によって、被検出分子２の識別精度が低下するおそれがある。これに対して、被検出分子２の濃度差に基づく検出信号の変化傾向を被検出分子２の識別に利用することによって、検出素子３３のデバイス特性のバラツキ（絶対値のバラツキ）等に左右されることなく、被検出分子２を正確に識別することができる。
【００４４】
上記した濃度変化による検出信号の変化傾向に基づく識別法を適用することによって、検出部３０に導かれる検出対象ガス３に不純物が混入しているような場合においても、被検出分子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、被検出分子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持つ農薬、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１０ないし図１２に示すような検出信号の変化傾向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〜Ｄで検出される検出信号の変化傾向が異なる場合、上記した識別法を適用することによって、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。
【００４５】
これまでは実施形態の分子検出装置１を用いて、被検出分子２を定性的に検出する方法（識別する方法）について説明したが、実施形態の分子検出装置１は被検出分子２の定性的な検出にかぎらず、被検出分子２の定量的な検出に適用することもできる。すなわち、実施形態の分子検出装置１は濃度調整部２０を備え、濃度調整部２０により被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３を生成することができる。このような被検出分子２の濃度が異なる複数の検出対象ガス３を順に検出部３０に送ることによって、図１０ないし図１２に示したように、被検出分子２の濃度（ガス濃度）とドレイン電流値のような検出信号の強度との相関を得ることができる。
【００４６】
前述したように、被検出分子２を識別するために、予め複数の検出セルＡ〜Ｄによる被検出分子２の濃度と検出信号の強度との相関を得ている。この被検出分子２の濃度と検出信号の強度との相関グラフを検量線として用いることによって、特定の検出セル（Ａ〜Ｄのいずれか）により測定した、被検出分子２の濃度を希釈または濃縮していない検出対象ガス３の検出信号の強度（例えばドレイン電流値）から、検出対象である検出対象ガス３中の被検出分子２の濃度を定量することができる。被検出分子２の濃度の定量に使用する検出セルは、特に限定されるものではないが、被検出分子２の濃度変化に対する検出信号の強度変化率（増加率または減少率）が大きく、かつ検出信号の強度変化が直線的な検出セルを使用することが好ましい。これによって、被検出分子２の濃度をより正確に定量することができる。また、２つ以上の検出セルを利用して、それらの検出信号の強度に基づく被検出分子２の濃度の平均値を定量値とすることもできる。
【００４７】
実施形態の分子検出装置１によれば、濃度変化による検出信号の変化傾向に基づく識別法を適用することで、ｐｐｔからｐｐｂオーダーの極低濃度のガス分子を選択的にかつ高感度に検出することができる。また、複数の検出セル３０１間の検出信号の変化傾向を解析することによって、ガス分子の識別精度を向上させることができる。さらに、濃度変化に基づく検出信号の強度を予め定量化しておくことによって、検出対象ガス３中の被検出分子２の濃度を定量することもできる。従って、極低濃度のガス分子の検出感度および検出信頼性をより一層高めることができる。さらに、検出器３０での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。このような分子検出装置１は、災害現場やテロ行為が行われた現場等、各種の現場でその機能を有効に発揮する。
【００４８】
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】
【００４９】
１…分子検出装置、２…被検出分子、３…検出対象ガス、１０…捕集部、２０…濃度調整部、２１…吸着器、２２…加熱器、３０…検出部、３０１…検出セル、３１…センサー部（ＧＦＥＴ）、３２…有機物プローブ、３３…検出素子、３４…半導体基板、３５…絶縁膜、３６…グラフェン層、３７…ソース電極、３８…ドレイン電極、４０…識別部、Ｐ１…第１のガス流路、Ｐ２…第２のガス流路、Ｖ１…第１のバルブ、Ｖ２…第２のバルブ、Ｖ３…第３のバルブ。
【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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