(57)【要約】受容体層として、ポリマー等の母材と、検体を吸着する粒子との複合材料の膜を使用する。例えば表面応力センサに本発明を適用すれば、所望の検体を吸着する粒子と、当該粒子を分散させる母材を独立して選択することで、検出感度に大きな影響を与える受容体層のヤング率を高い自由度で設定できる。
2016136905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と粒状材料とを含む複合体の受容体層と、
前記受容体層を表面上に有し、検体分子が前記受容体層に吸着される際に生じる物理パラメータの変化を検出するセンサ本体と
を備えたセンサ。
【請求項２】
前記物理パラメータは、表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度のうちの１種または２種以上である、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記粒状材料と前記母材は、互いに異なる物理パラメータの数値を有する、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記粒状材料はナノ粒子である、請求項１から３の何れかに記載のセンサ。
【請求項５】
前記母材は高分子系材料である、請求項１から４の何れかに記載のセンサ。
【請求項６】
前記高分子系材料はポリマーである、請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記粒状材料は複数種類の化合物からなる多成分系の材料である、請求項１から６の何れかに記載のセンサ。
【請求項８】
前記多成分系の粒状材料は、シリカおよびチタニアを含む、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記粒状材料の表面に、１種または２種以上の表面修飾基が修飾されている、請求項１から８の何れかに記載のセンサ。
【請求項１０】
前記表面修飾基のうち少なくとも一の表面修飾基は、前記検体分子を吸着する、請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記表面修飾基は、疎水性の表面修飾基と親水性の表面修飾基を含む、請求項９に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記表面修飾基は、シランカップリング剤を粒状材料原料と共沈することにより粒子表面に固定化されている、請求項９から１１の何れかに記載のセンサ。
【請求項１３】
前記表面修飾基は、あらかじめ合成した粒状材料表面にシランカップリング剤を後処理することにより固定化されている、請求項９から１１の何れかに記載のセンサ。
【請求項１４】
前記表面修飾基は、アミノプロピル基、フェニル基、アルキル基、メルカプトプロピル基、グリシジル基、ビニル基、スルホン基、フルオロ基のうちの１種または２種以上である、請求項８から１３の何れかに記載のセンサ。
【請求項１５】
前記センサ本体は表面応力センサである、請求項１から１４の何れかに記載のセンサ。
【請求項１６】
前記母材と前記粒状材料とは互いに異なるヤング率を有する、請求項１５に記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ本体の表面に母材と粒状材料を混合した受容体層を被覆することにより、検出対象物質の高感度かつ選択的検出を可能とするセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
検出対象の分子（検体分子）の吸着に伴い生じる物理パラメータの変化を検出するタイプのセンサは、多種多様なものが存在し、様々な分野で利用されている。物理パラメータの変化を検出しやすくするため、一般にセンサは「受容体層」と呼ばれる層で被覆した後、測定に用いられる。どのような物理パラメータを対象とするかによって利用可能な受容体材料は変わるため、センサごとに最適な受容体層の開発が進められている。一例として、検体分子の吸着に伴い表面に生じる応力を検出するタイプの表面応力センサがある。この種のセンサの受容体層には、自己組織化単分子膜、ＤＮＡ／ＲＮＡ、タンパク質、抗原／抗体、ポリマーなど多様な物質が供される。【０００３】
このようなセンサの感度を向上させたい場合、受容体層の物理的および化学的特性を最適化することが有効である場合が多い。一例として、表面応力センサに関しては、非特許文献１および２にあるように、受容体物質のヤング率と膜厚が特に大きく影響することが報告されている。この傾向は以下の数式により表される。【０００４】
【数１】
2016136905.tif 000003
【０００５】
上式は非特許文献1に示されているカンチレバー型の表面応力センサについてのものである。ここで、Δzはカンチレバーのたわみ、wcはカンチレバーの幅、lcはカンチレバーの長さ、tcはカンチレバーの厚さ、νcはカンチレバーのポアソン比、Ecはカンチレバーのヤング率、wfは受容体層の幅、tfは受容体層の厚さ、νfは受容体層のポアソン比、Efは受容体層のヤング率、εfは受容体層に印加されるひずみである。この数式をもとに感度（この場合、カンチレバーのたわみ量（Deflection））を計算すると、受容体層のヤング率に大きく依存することが分かる。つまり、高い感度を実現するためには、ヤング率のような物理パラメータについて、最適な値を有する受容体層を設計する必要がある。上式に基づいて、ヤング率とたわみ量（感度）との関係を受容体層の膜厚をパラメータとしてグラフ化したものを図1に示す。ここで、カンチレバーのサイズ、材料を、長さ５００μｍ、幅１００μｍ、厚さ１μｍのシリコンとして計算を行った。このグラフから以下のことがわかる。
Ａ．膜厚を固定した時、表面応力センサの感度の観点では、受容体層のヤング率には最適値が存在し、それよりも大きくても小さくても感度が低下すること、及び
Ｂ．受容体層の厚さを変えると最適ヤング率が変化する。具体的には、受容体層を薄くするほど最適ヤング率が大きい方へシフトし、また感度も向上するが、小ヤング率領域では逆に受容体層が薄いと感度が出ない傾向がある。【０００６】
一方、この種のセンサは、検体分子を的確に吸着させるために、特に化学的な選択性を有する受容体層を設計する必要がある。具体的には、検体分子の化学的性質に応じて、受容体層中に含まれる官能基を設計し、安定した状態で受容体層中に固定化する必要がある。【０００７】
以上のように、検体分子を測定するタイプのセンサにおいて、決定的に重要な二つの要素である感度と選択性を最適化するためには、一般的に、物理的な特性と化学的な特性を同時に最適化する必要がある。しかしながら、これを容易に実現する有効な方法は確立されておらず、その早期実現が強く求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、母材と、それに対して物理的／化学的特性の異なる粒状材料とを混合した受容体層を用いることにより、粒状材料の化学組成に由来する検体分子選択性を実現しつつ、ヤング率などの物理的特性の異なる粒状材料を用いることで、母材／粒状材料複合体として母材とは異なる物理的特性を実現し、高感度化を達成する方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、母材と粒状材料とを含む複合体の受容体層と、前記受容体層を表面上に有し、検体分子が前記受容体層に吸着される際に生じる物理パラメータの変化を検出するセンサ本体とを備えたセンサである。
ここで、前記物理パラメータは表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度のうちの１種または２種以上であってよい。
また、前記粒状材料と前記母材は、互いに異なる物理パラメータの数値を有していてよい。
また、前記粒状材料はナノ粒子であってよい。
また、前記母材は高分子系材料であってよい。
また、前記高分子系材料はポリマーであってよい。
また、前記粒状材料は複数種類の化合物からなる多成分系の材料であってよい。
また、前記多成分系の粒状材料は少なくともシリカおよびチタニアを含んでよい。
また、前記粒状材料の表面に、１種または２種以上の表面修飾基が修飾されていてよい。
また、前記表面修飾基のうち少なくとも一の表面修飾基は前記検体分子を吸着してよい。
また、前記表面修飾基は、疎水性の表面修飾基と親水性の表面修飾基を含んでよい。
また、前記表面修飾基は、シランカップリング剤を粒状材料原料と共沈することにより粒子表面に固定化されてよい。
また、前記表面修飾基は、あらかじめ合成した粒状材料表面にシランカップリング剤を後処理することにより固定化されていてよい。
また、前記表面修飾基は、アミノプロピル基、フェニル基、アルキル基、メルカプトプロピル基、グリシジル基、ビニル基、スルホン基、フルオロ基のうちの１種または２種以上であってよい。
また、前記センサ本体は表面応力センサであってよい。
また、前記母材と前記粒状材料とは互いに異なるヤング率を有してよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ポリマーなど単独の母材では実現することが困難であった高い感度および多様な検体分子選択性を、物理的／化学的性質の異なる粒状材料を混合することによって実現することが可能になる。より具体的には、例えば1種類のポリマーを受容体層の母材とし、そこに化学組成やヤング率の異なる粒状材料を添加することで、感度ならびに選択性を同時に、かつ網羅的に制御することが可能となる。換言すれば、図１の曲線に示すように、どんな膜厚の受容体層（母材の膜）であっても、粒状材料の添加によって非常に広い範囲内でヤング率を自由に変化させることができるため、いかなる膜厚の受容体層（母材の膜）であっても、感度を図１の各曲線に沿ったような形で任意の値に調整できる。また、選択性については、所望の検体に合わせて必要な官能基を持った粒状材料を適宜選択して母材に添加することで、検出可能な検体を広い範囲で自由に切り替えることができる。これにより、有機合成反応をはじめとする種々の操作を通じて、検体分子との間に親和性を発現する形に母材そのものの構造を改変する必要がなくなるだけでなく、母材の種類を変える度に必要となるセンサ表面への塗布条件等の再検討過程を省くことができるため、研究レベルのみならず、産業レベルでの実用化に向けて大きな利点となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】受容体層を被覆した表面応力センサについて、感度、受容体層のヤング率、膜厚間の関係を示す図。
【図２】実施例１で粒状材料合成に利用した装置構成の一例を示す図。
【図３】実施例１で作製した異なる表面修飾基を有する粒状材料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像。
【図４】実施例１の粒状材料をポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）に添加し、膜型表面応力センサ（ＭＳＳ）表面に被覆する前後の光学顕微鏡像。
【図５】実施例１のＰＶＰ／粒状材料複合体被覆ＭＳＳおよびその比較対象としてのＰＶＰ被覆ＭＳＳを用いて、８種類の化合物を測定した結果を示す図。
【図６】図５のセンサ信号についてサンプルガス導入後３０秒付近（パージガスに切り替わる直前）の値を抽出し、測定した化合物ごとにプロットした図。
【図７】実施例２の被覆回数の異なるＰＶＰ／粒状材料複合体被覆ＭＳＳを用いて、８種類の化合物を測定した結果を示す図。
【図８】図７のセンサ信号について、サンプルガス導入後３０秒付近（パージガスに切り替わる直前）の値を抽出し、測定した化合物ごとにプロットした図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明のセンサは、母材と粒状材料とを含む複合体の受容体層（母材／粒状材料複合体受容体層）と、受容体層を表面上に有し、検体分子が受容体層に吸着される際に生じる物理パラメータの変化を検出するセンサ本体とを備えている。
具体的には、センサ本体は、表面応力、応力、力、表面張力、圧力、質量、弾性、ヤング率、ポアソン比、共振周波数、周波数、体積、厚み、粘度、密度、磁力、磁気量、磁場、磁束、磁束密度、電気抵抗、電気量、誘電率、電力、電界、電荷、電流、電圧、電位、移動度、静電エネルギー、キャパシタンス、インダクタンス、リアクタンス、サセプタンス、アドミッタンス、インピーダンス、コンダクタンス、プラズモン、屈折率、光度および温度やその他の様々な物理パラメータを検出可能であればよく、その具体的な構成は特に限定されない。
このセンサは、受容体層が検体分子を吸着することで、そこに引き起こされる物理パラメータの変化を、センサ本体により検出する。従って、本発明で使用可能なセンサ本体は、その表面に被覆された母材／粒状材料複合体受容体層に検出対象物質が吸着することによって受容体層に引き起こされる変化を検知するものであれば、その構造・動作等は特に制限されない。例えば、表面応力センサを使用した場合には、その表面を被覆した母材／粒状材料複合体受容体層が検出対象物質が吸着することで、当該受容体層中に引き起こされた応力変化を検出して、表面応力センサがシグナルを出力する。なお、ここで吸着という用語は、物理吸着だけではなく、化学結合や生化学的な作用による吸着も含む最も広い意味で用いていることに注意されたい。また、受容体層に使用される複合体は母材と粒状物質だけからなっていてもよいし、あるいは他に補助的な成分（例えば粒子の分散性を向上させるような成分、母材成分だけでは達成しにくい物理的／化学的特性を出すための改質剤等）を添加してもよい。母材自体が複数の物質（例えば複数種類のポリマー）からなっていてもよい。
また、センサ本体の表面の受容体層の厚さ（膜厚）は、各種物理パラメータの検出感度などを考慮して適宜設計することができるが、例えば、１ｎｍ〜１０００μｍの範囲を例示することができる。なお、図１に基づいて考えると、受容体層の膜厚が１００ｎｍ〜１０μｍの範囲であれば、通常使用される材料のヤング率範囲（１ＭＰａ〜１０００ＧＰａ）において、カンチレバーのたわみを最大とすることが可能である。また、非常に空孔の多い材料で受容体層が構成されている場合を想定すると、ヤング率が１ＭＰａ未満となることもあり得るが、そのような場合であっても、カンチレバーの撓みを最大化するという観点から、受容体層の膜厚は１００ｎｍ〜１０００μｍの範囲であることが好ましい。
【００１３】
本発明における母材／粒状材料複合体受容体層に使用する粒状材料は、ポリマーなどの母材とは異なる物理的／化学的特性を有するという前提条件を満たす限り、いかなる形状および構造のものであってもよい。粒状材料の粒子サイズについては、母材中に分散可能なものであればよく、特に制限は無いが、バルクとしての物理的特性を定義しやすくなり、定量的な議論が可能になるという点で、ナノ粒子であることが好ましい。ここで、ナノ粒子とは粒子サイズが１ｎｍ〜１００ｎｍの粒子を指す。
【００１４】
粒状材料の粒子の形状としては、等方性でも異方性でもよい。粒子の構造は、緻密な構造、多孔質や中空など疎な構造、コアシェル型の構造などの粒子であってよい。さらに、粒状材料の表面には検出対象物に応じて、１種または２種以上の任意の表面修飾基を適宜固定することができる。例えば、２種以上の表面修飾基を有する粒状材料の場合、疎水性の表面修飾基と親水性の表面修飾基を含むことが好ましい。また、表面修飾基のうち少なくとも一の表面修飾基は、検体分子を吸着するものであることが好ましい。
さらに、例えば、表面修飾基は、シランカップリング剤を粒状材料原料と共沈することにより粒子表面に固定化することもできるし、あらかじめ合成した粒状材料表面にシランカップリング剤を後処理することにより固定化することもできる。また、チオール基を有する分子、ホスホン酸などに加え、高分子や生体関連分子と組み合わせてもよい。
このような表面修飾基としては、例えば、アミノプロピル基、フェニル基、アルキル基、メルカプトプロピル基、グリシジル基、ビニル基、スルホン基、フルオロ基のうちの１種または２種以上を例示することができる。
【００１５】
粒状材料の粒子を構成する物質としては、母材とは異なる物理的／化学的特性を有するという条件を満たす限り、いかなる物質であってもよい。例えば、金属などの単体、あるいは酸化物、硫化物などの化合物、無機有機ハイブリッドなどを好ましく例示することができる。また、粒状材料は、例えば、シリカおよびチタニアなどを含む複数種類の化合物からなる多成分系の材料であることが好ましい。
なお、本発明をＭＳＳ等の表面応力センサに適用する場合、母材がポリマー等の柔軟な材料であれば粒子のヤング率は母材より大きいほうが望ましい。逆に、母材がある程度硬い物質の場合は、粒子はポリマー粒子や気泡等、複合体受容体層全体としてのヤング率を小さくする材料を使用した方が望ましいこともある。すなわち、粒状材料と母材は、互いに異なる物理パラメータの数値を有することが好ましい。
【００１６】
また、前記粒状材料はいかなる手法によって合成されるものであってもよい。具体的には、均一溶液中における析出反応や、エマルションを利用した擬似的な均一系における反応から噴霧乾燥や熱分解を利用した気相での反応、ボールミリングなどの固相反応まで、特に限定されない。
【００１７】
母材／粒状材料複合体受容体層によって被覆されるセンサ本体の一例として、表面応力センサが挙げられるが、その形状・材質・サイズ等は特に限定されず、どのような物体でも使用することができる。例えば１箇所または複数個所で支持された薄片状部材を好ましく例示することができる。その他に、例えば、両持ち梁などの２か所あるいはより多くの箇所で支持された薄片状の物体、膜体など、様々な形態のものを採用することができる。
【００１８】
母材／粒状材料複合体受容体をセンサ表面に被覆するための手法は、ディップコーティング、スプレーコーティング、スピンコーティング、インクジェットスポッティング、キャスティング、ドクターブレードを用いた被覆など、特に限定されない。
【００１９】
また、受容体層として使用する粒状材料が、それ自体で所望検体分子を効率よく吸着するのであれば、そのような粒状材料をそのまま使用してよい。あるいは、特定の表面修飾基で粒状材料を修飾することにより、所望検体分子を吸着するようにしたり、また吸着効率を向上させたり、または吸着する物質の選択性を高くしたりするなど、検出性能の改善を図ることもできる。また、表面修飾基による修飾は、検体分子の吸着とは直接関係のない目的、例えば粒子相互の結合性や基板との接着性等、母材／粒状材料複合体被覆センサの耐久性、耐環境性等の向上を図るためにも行うことができる。
【００２０】
ここで、母材／粒状材料複合体層中では粒状材料表面の大部分あるいはすべてが母材に覆われてしまう場合がかなり多いと考えられる。この場合でも、母材がポリマーなどの場合には母材の被膜を検体分子が透過して粒状材料に容易に到達できる。あるいは、検体分子を透過しにくい母材を使用しても、その被覆厚が極めて薄い場合や被膜に充分な数／サイズのピンホール等が存在する場合にはやはり検体分子が粒状材料に容易に到達できる。従って、検体分子、必要とされる検出感度、使用環境等に合わせて、使用する母材、粒状材料、被覆体中の両者の混合比、被覆体層の厚さ、母材への添加剤等を適宜調節することが望ましい。
【００２１】
選択性については、母材中の官能基などに起因する母材自体の選択性と、粒状材料が有する選択性とを組み合わせて利用することも可能であることに注意されたい。一例として、疎水性の官能基を有する母材に、親水性の官能基を有する粒状材料を混合した複合体層を利用する場合、両親媒性の化合物を効率よく吸着する事が可能となる。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明するが、当然ながら、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。【００２３】
＜実施例１＞様々な表面修飾基を有するＰＶＰ／シリカチタニアハイブリッド粒状材料複合体により被覆されたＭＳＳ
以下では、様々な表面修飾基を有する粒状材料と、母材となるポリマーを複合化し、それを受容体層として被覆したセンサによる測定の一実施例について説明する。【００２４】
上記様々な表面修飾基を有するシリカチタニアハイブリッド粒状材料は、オクタデシルアミン（ＯＤＡ）が溶解したアンモニア塩基性のイソプロパノール（ＩＰＡ）水溶液中における、シリコンテトラエトキシドあるいは種々のシランカップリング剤とチタニウムテトライソプロポキシド（ＴＴＩＰ）の共加水分解、縮合重合反応により合成した。ここで、シランカップリング剤としては、3-アミノプロピルトリエトキシシランおよびフェニルトリエトキシシランを用いた。上記合成反応は、マイクロメートルサイズのＹ字型流路を有するテフロン（登録商標）製マイクロリアクタを用いて実施した（図２）（非特許文献３）。前駆溶液は、溶液１：シリコンアルコキシドあるいは種々のシランカップリング剤／ＩＰＡ、溶液２：Ｈ２Ｏ／ＩＰＡ／アンモニア、溶液３：ＴＴＩＰ／ＩＰＡ、溶液４：Ｈ２Ｏ／ＩＰＡの４つとし、溶液１から溶液４まで体積を揃えて調製した。前駆溶液はシリンジポンプにより同時に一定速度で送液した。溶液１と溶液２、溶液３と溶液４を並列したマイクロリアクタ内でそれぞれ混合し、両リアクタからの吐出液をさらに別のマイクロリアクタ内で混合することにより、１つの反応液とした。反応液は別途調製しておいた前駆溶液５：ＯＤＡ／Ｈ２Ｏ／ＩＰＡ中へ吐出し、吐出終了まで一定速度で撹拌した。その後、室温で静置し、上記粒状材料分散液を得た。ＳＥＭにより観察した粒子像を図３に示す。【００２５】
ここで、本実施例中で合成した粒状材料は、合成時に使用したアルコキシドあるいはシランカップリング剤の種類に応じて、アミノプロピル基またはフェニル基を有するシリカチタニアハイブリッド粒子、あるいは特定の修飾基を有さないシリカチタニアハイブリッド粒子である。ただし、これら３種の粒状材料は全てＯＤＡ共存下で合成されたものであり、したがって、粒子構造中にはオクタデシル基が含まれていることに注意されたい。【００２６】
上記粒状材料を添加するポリマーとして、ここでは汎用のポリマーの一種であるポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）を用いた。一定量のＰＶＰ、上記粒子分散液、水およびＩＰＡを混合することにより、ＰＶＰ濃度および粒子濃度が共に１ｇ／Ｌとなるように調製した。超音波を照射し、目視により粒子の分散を確認した後、すぐにスプレーコーターを用いてセンサチップ上に噴霧・乾燥した。センサは特許文献１で提案した膜型構造を有するピエゾ抵抗型ＭＳＳを使用した。【００２７】
本実施例で作製した、ＰＶＰ／シリカチタニアハイブリッド粒状材料複合体被覆後のＭＳＳの光学顕微鏡像を図４に示す。被覆前と比較することで、膜構造全体が被覆されていることが確認できる。【００２８】
続いて、水および水に易溶／難溶の化学種の測定を行った。具体的には、水、ホルムアルデヒド（ホルマリン）、エタノール、ＩＰＡ、ヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、トルエンの８種類をそれぞれバイアルに分取し、そこへキャリアガスとして窒素を１００ｍＬ／ｍｉｎで流すことにより、一定量のサンプル蒸気を含んだガスとして、ＭＳＳが格納された密閉チャンバーへ導入した。各サンプル蒸気の測定結果を図５および図６に示す。比較対象として、ＰＶＰ（１ｇ／Ｌ溶液）を、同一構造のピエゾ抵抗型ＭＳＳに、同一のスプレーコーターを用いて被覆して測定を行った結果、ならびに何も被覆していないＭＳＳを用いて測定を行った結果も図５及び図６中に示す（何も被覆していないＭＳＳ（図中「ＭＳＳｂａｒｅ」）による測定結果は図６のみに示す）。なお、図６中の「ＰＶＰ」は、粒状材料を含まないＰＶＰのみを被覆したセンサを示し、「ＰＶＰＮＰｓ」は、表面修飾基を有さない粒状材料を含むＰＶＰが被覆されたセンサを示し、「ＰＶＰＮＨ２ＮＰｓ」は、アミノプロピル基で修飾された粒状材料を含むＰＶＰが被覆されたセンサを示し、「ＰＶＰＰｈＮＰｓ」は、フェニル基で修飾された粒状材料を含むＰＶＰが被覆されたセンサを示している。
ＰＶＰのみを被覆した場合（図６では「ＰＶＰ」）、水に易溶の化合物に対しては応答する一方、難溶の化合物に対する応答は微弱であった。このことは、ＰＶＰ自体が水に易溶のポリマーであることにより説明できる。フェニル基修飾粒子を添加した場合（図６では「ＰＶＰＰｈＮＰｓ」）、水に易溶の化合物に対する応答はほとんど変わらないが、水に難溶の化合物に対する応答が改善されたことが分かる。水に対する応答の信号強度に対する相対的な信号強度は、水に難溶の４種の化合物全てについてほぼ１かそれ以上であり、疎水性のフェニル基導入の影響と考えられる。特定の修飾基を有さないシリカチタニアハイブリッド粒子の場合も、水に難溶の４種の化合物に対する応答が改善されており、疎水性のオクタデシル基が構造中に存在するためであると考えられる。一方、親水性のアミノプロピル基で修飾した粒子を添加した場合（図６では「ＰＶＰＮＨ２ＮＰｓ」）、水に易溶の化合物に対する応答が顕著に改善されている。以上のことから、添加する粒状材料の表面特性に依存して、受容体層の検体分子選択性を制御できることが示された。【００２９】
＜実施例２＞シリカチタニアハイブリッド粒状材料をＰＶＰに添加することによる高ヤング率複合体の作製とＭＳＳの高感度化
図４の光学顕微鏡像から分かるように、アミノプロピル基で修飾した粒子を添加したケースでは、センサ表面全体が比較的均一に被覆されている。そこで、ここでは複合体としてのヤング率の影響を議論するため、アミノプロピル基で修飾した粒子を添加した場合について考える。【００３０】
シリカおよびチタニアのヤング率は約７０ＧＰａおよび２００ＧＰａ程度であり、本実施例で用いたハイブリッド粒子の場合、当該粒子を作製する際の仕込み原料から計算したシリカとチタニアとの重量比に基づいた加重平均を考えると１００ＧＰａ前後になると推測される。ＰＶＰのヤング率は約２ＧＰａ程度であることを踏まえると、本実施例のＰＶＰ／粒状材料複合体受容体層のヤング率はおよそ５０ＧＰａと概算できる。膜厚計により複合体被覆の膜厚を見積もったところ、およそ１００〜２００ｎｍであった。非特許文献１によると、ヤング率が２ＧＰａおよび５０ＧＰａの場合の感度は、膜厚が１００〜２００ｎｍとして比較した場合に、後者のほうが数倍程度大きくなる可能性がある（膜圧をパラメータとしたヤング率と感度との関係を示す図１も参照のこと）。図５および図６から分かるように、例えば水に易溶の化合物に対する感度はおよそ２倍かそれ以上となっており、ヤング率の寄与が示唆される。【００３１】
次に、非特許文献１に示されたような膜厚の増加に伴い感度が上昇する傾向があるかどうかを確認するため、上記ＰＶＰ／アミノプロピル基修飾粒子複合体を繰り返しセンサ表面に被覆し、上記８種類の化学種の測定を行った。その結果を図７および図８に示す。図８中の「ＰＶＰＮＨ２ＮＰｓ」は、アミノプロピル基で修飾された粒状材料を含むＰＶＰが１回または複数回（×１〜１０）被覆されたセンサを示し、「ＰＶＰＰｈＮＰｓ」は、フェニル基で修飾された粒状材料を含むＰＶＰが２０回（×２０）または３０回（×３０）被覆されたセンサを示している。
水およびホルムアルデヒドについては膜厚の増加に伴い感度が上昇していく傾向が見られた。一方、アルキル鎖が長くなるなど化合物の疎水性が強くなるにしたがい、単調な感度上昇の傾向は見られなくなった。より具体的には、スプレーコーティングを１０回あるいは２０回程度行った場合を境に感度の低下が確認された。非特許文献１によるとヤング率が一定の場合、最大感度を与える膜厚が存在することが示されており、今回の結果はその傾向に沿うものと解釈できる。【００３２】
なお、図1を見ると、膜厚が薄くかつヤング率が大きな受容体層の方が高感度を達成しようとする際に有利であることがわかる。しかし、ヤング率が大きな、つまり硬い材料は通常は検体を吸収・透過しにくい傾向があるため、必ずしもヤング率が大きな材料を使用することで高い感度を達成できるわけではない。例えばダイヤモンド膜を使用すれば非常に大きなヤング率を有する膜を実現できるが、この膜の内部には検体が侵入できない。その結果、ダイヤモンドを母材として使用した受容体層には歪がほとんど発生せず、検出感度は極めて低くなる。従って、原理的にはヤング率が高く膜厚を薄くできることに加えて検体を透過・吸収しやすい母体材料を使用することができれば高い検出感度を達成できるが、現実的に母材として扱いやすく、汎用的な材料を機能化するという点では、母材としてポリマーを使用するのが有利である。【００３３】
一方、水およびホルムアルデヒドで依然として感度が上昇傾向にある理由については、ヤング率や膜厚という物理的なパラメータのみでは説明のできない受容体表面との化学的な相互作用の寄与によるものと予想される。【００３４】
また、粒状材料表面を親水性の表面修飾基とこの親水性の表面修飾基よりも長い疎水性の表面修飾基の両方で修飾することで、その表面を巨視的には疎水性であるが、微視的には親水性とすることができる。例えば、本実施例で作製したアミノプロピル基で修飾された粒子表面は、アミノプロピル基に加えてオクタデシル基で表面修飾されていて、粒状材料表面がこのような状態になっていると、鎖長の長いオクタデシル基の存在によって、巨視的には疎水的であるが、アミノプロピル基が共存することによって、微視的には水を吸着するサイトが多く存在する。これにより、液体状態などのバルク状の水は弾くが、水蒸気（言い換えれば、気体中に分散した状態の水分子で、バルク状の水ではないもの）は吸着する状態が実現される。
オクタデシル基およびアミノプロピル基の鎖長が数Åから１ｎｍ程度であることを踏まえると、例えば本実施例のアミノプロピル基粒子／ＰＶＰ被覆ＭＳＳを、アミノ基と親和性のある分子（タンパク質など）が溶解した水中に設置することにより、水中から検体分子のみを選択的に抜き取るように吸着することができると考えられる。以上により、気中測定のみならず、例えば血液中の各種のガスの濃度を直接測定するなど、これまでに例のない液中測定を実現できることがわかる。【００３５】
本実施例のアミノプロピル基／オクタデシル基表面修飾粒子表面に親水性の修飾基と疎水性の修飾基とが周期的にあるいはほぼ周期的に混在できるのは、この粒子がシリカチタニアハイブリッドナノ粒子であって、その表面上にそれぞれの修飾基が結合するシリカ部分とチタニア部分とが繰り返し出現しているからである。このように複数種の材料が表面に繰り返し出現する粒子を製造するには、実施例１に示したように、複数種のアルコキシドを有機物存在下で混合して反応させればよい。また、この反応により製造される粒子のサイズおよび形状を制御するには、例えば実施例１のようにフロー合成の手法を用いればよい。【００３６】
いずれにしても、本発明で課題としている受容体層の物理パラメータ（ここでは、ヤング率）制御による感度上昇が可能であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、母材／粒状材料複合体を受容体層材料として使用することにより、測定に影響を与える受容体層の物理的／化学的特性を、母材単独で受容体層を構成する場合に比較してはるかに高い自由度で実現し、高い感度と選択性を達成することが可能になるため、本発明はセンサ本体表面上に受容体層を設けるセンサの分野に大いに貢献することが期待される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００３８】
【非特許文献１】G. Yoshikawa, "Mechanical Analysis and Optimization of a Microcantilever Sensor Coated with a Solid Receptor Film," Appl. Phys. Lett. 98, 173502-1-173502-3 (2011).
【非特許文献２】G. Yoshikawa, C. J. Y. Lee and K. Shiba, "Effects of Coating Materials on Two Dimensional Stress-Induced Deflection of Nanomechanical Sensors," J. Nanosci. Nanotechnol. 14, 2908-2912 (2013).
【非特許文献３】K. Shiba and M. Ogawa, "Microfluidic syntheses of well-defined sub-micron nanoporous titania spherical particles," Chem. Commun. 6851-6853 (2009).
【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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【国際調査報告】
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