(57)【要約】  センサは触媒を含み得る。センサは少なくとも2つの電極との電気的連絡を有し、導電体及び分析物の生成物への変換を触媒する触媒混合物を含む導電領域を含み得る。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも2つの電極との電気的連絡を有する導電領域を含むセンサであって：
該導電領域が、導電体と分析物の生成物への変換を触媒する触媒混合物とを含む、前記センサ。
【請求項２】
前記導電体が、炭素材料を含む、請求項1記載のセンサ。
【請求項３】
前記炭素材料が、無定形炭素、グラフェン、グラファイト、単層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブを含む、請求項2記載のセンサ。
【請求項４】
前記導電体が、導電性ポリマーである、請求項1記載のセンサ。
【請求項５】
前記分析物が、アルケンである、請求項1記載のセンサ。
【請求項６】
前記触媒混合物が、触媒金属錯体を含む、請求項5記載のセンサ。
【請求項７】
前記触媒混合物が、前記触媒存在下で前記分析物と反応する反応物を含む、請求項６記載のセンサ。
【請求項８】
前記分析物が、アクリレートを含む、請求項1記載のセンサ。
【請求項９】
セレクタをさらに含む、請求項1記載のセンサ。
【請求項１０】
前記セレクタが、芳香族、ヘテロ芳香族、多環芳香族、又は金属錯体を含む、請求項9記載のセンサ。
【請求項１１】
分析物を検知する方法であって：
少なくとも2つの電極との電気的連絡を有する導電領域を含むセンサを試料に曝露することであって、該導電領域が、導電体と該試料中の分析物の生成物への変換を触媒する触媒混合物とを含む、前記曝露すること；並びに
該電極における電気的特性を測定することを含む、前記方法。
【請求項１２】
前記試料が、揮発性有機分子を含む、請求項11記載の方法。
【請求項１３】
前記導電体が、炭素材料を含む、請求項11記載の方法。
【請求項１４】
前記炭素材料が、無定形炭素、グラフェン、グラファイト、単層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブを含む、請求項13記載の方法。
【請求項１５】
前記導電体が、導電性ポリマーである、請求項11記載の方法。
【請求項１６】
前記分析物が、アルケンである、請求項11記載の方法。
【請求項１７】
前記触媒混合物が、触媒金属錯体を含む、請求項16記載の方法。
【請求項１８】
前記触媒混合物が、触媒存在下で前記分析物と反応する反応物を含む、請求項17記載の方法。
【請求項１９】
前記分析物が、アクリレートを含む、請求項1記載の方法。
【請求項２０】
センサを作製する方法であって：
少なくとも2つの電極との電気的連絡を有する導電領域を形成することであって、該導電領域が、導電体と分析物の生成物への変換を触媒する触媒混合物とを含む、前記形成することを含む、前記方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権の主張）
本件出願は、その全体が参照により組み込まれている2018年3月15日に提出された米国仮特許出願第62/643,743号を基礎とする優先権を主張する。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は触媒を含むセンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
一酸化炭素は、特に安全上の理由から、非常に重要な分析物である。一酸化炭素の濃度を測定するための現在利用可能な方法は、費用がかさみ、現場で実行することが現実的でないという問題を生じ得る。
【発明の概要】
【０００４】
（概要）
一態様において、センサは、少なくとも2つの電極との電気的連絡を有する導電領域を含むことができ、該導電領域は、導電体と分析物の生成物への変換を触媒する触媒混合物とを含む。
【０００５】
別の態様において、分析物を検知する方法は、少なくとも2つの電極との電気的連絡を有する導電領域を含むセンサを試料に曝露することであって、該導電領域が、導電体と試料中の分析物の生成物への変換を触媒する触媒混合物とを含む、前記曝露すること、並びに電極における電気的特性を測定することを含み得る。
【０００６】
ある状況において、導電体は炭素材料を含み得る。例えば、炭素材料は、無定形炭素、グラフェン、グラファイト、単層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブを含み得る。他の状況において、導電体は導電性ポリマーであり得る。
【０００７】
ある状況において、分析物はアルケン又は他の揮発性有機分子であり得る。例えば、分析物はアクリレートであり得る。
【０００８】
ある状況において、触媒混合物は、触媒金属錯体を含み得る。
【０００９】
ある状況において、触媒混合物は、触媒の存在下で分析物と反応する反応物を含み得る。
【００１０】
ある状況において、センサはセレクタを含み得る。セレクタは、πラジカル部分、例えば芳香族、ヘテロ芳香族、多環芳香族、又は金属錯体を含み得る。
【００１１】
別の態様において、センサを作製する方法は、少なくとも2つの電極との電気的連絡を有する導電領域を形成することであって、該導電領域が、導電体と分析物の生成物への変換を触媒する触媒混合物とを含む、前記形成することを含み得る。
【００１２】
他の態様、実施態様、及び特徴は、以下の明細書、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
（図面の簡単な説明）
【図１】図1A-1Cは、センサの模式図を示す。
【図２】図2Aはセンサの反応を示す。図2Bはセンサの反応を示す。図2Cはセンサの反応を示す。
【図３】図3は、生成物のスペクトル特性を示す。
【図４】図4A-4Eはセンサの特性を示す。
【図５】図5A-5Cはセンサの反応を示す。
【図６】図6A-6Dはセンサの特性を示す。
【図７】図7はセンサの特性を示す。
【図８】図8はセンサを示す。
【図９】図9はセンサを示す。
【図１０】図10はセンサの特性を示す。
【図１１】図11はセンサ及びセンサの特性を示す。
【図１２】図12はセンサ及びセンサの特性を示す。
【図１３】図13はセンサ及びセンサの特性を示す。
【図１４】図14はセンサ及びセンサの特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（詳細な説明）
図1A及び1Cは、基板上に第1の電極及び第2の電極を含み得るセンサを示す。電極間に導電体を堆積させることができる。触媒混合物は、炭素材料に堆積させることができる。触媒混合物は、所望の反応物（例えば、分析物）を生成物へと変換できる触媒を含む。触媒混合物は、触媒によって触媒される反応を促進する他の反応物、溶媒、又は他の分子などの他の化学成分を含み得る。触媒混合物が所望の反応物、例えば分析物に曝露されると、触媒混合物の組成物によって反応物（すなわち分析物）が生成物に変換される。触媒反応は触媒混合物中の触媒の酸化又は還元を伴うため、電極を使用して活性を検出することができる。ある実施態様において、電極は、触媒の活性状態又は非活性状態へのサイクルに寄与し得る電圧を提供する。導電体は、例えばポリアセチレン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、又は他の導電性錯体もしくはポリマーなどの導電性ポリマーであり得る。他の実施態様において、導電体は、炭素材料、例えば無定形炭素、グラフェン、グラファイト、単層カーボンナノチューブ、又は多層カーボンナノチューブであり得る。導電体は、これらの材料の組合わせであり得る。
【００１５】
電極間のギャップは0.1 mm〜10 mmの範囲であり得る。導電体及び触媒混合物の層厚は、0.1 μm〜5 μmであり得る。触媒混合物及び導電体の間のモル比は5:1〜100:1であり得る。
【００１６】
触媒は、分析物との反応を促進する金属触媒であり得る。例えば、触媒は、分析物を生成物に変換する白金又はパラジウム触媒、又は他の遷移金属であり得る。例えば、触媒はパラジウム触媒であり得、変換はアクリレートをフェニルアクリレートに変換するヘック反応であり得る。
【００１７】
セレクタは、πラジカル部分、例えば芳香族、ヘテロ芳香族、多環芳香族、又は金属錯体を含み得る。
【００１８】
芳香族はC6-C14芳香族炭化水素を含み得る。例えば、アリールはフェニル、ナプチル（napthyl）、又はフルオレニルであり得る。
【００１９】
ヘテロ芳香族は、1以上のヘテロ原子、例えばN、O、又はSを有するC6-C14芳香族炭化水素を含み得る。ヘテロアリールは置換されていても、置換されていなくてもよい。ヘテロアリールの例には、これらに限定はされないが、アザインドール、アゼピニル、アクリジニル、ベンズイミダゾリル、ベンズインドリル、1,3-ベンゾジオキソリル、ベンゾオキサゾリル、ベンゾ[d]チアゾリル、ベンゾチアジアゾリル、ベンゾ[b][1,4]ジオキセピニル、ベンゾ[b][1,4]オキサジニル、1,4-ベンゾジオキサニル、ベンゾナフトフラニル、ベンズオキサゾリル、ベンゾジオキソリル、ベンゾジオキシニル、ベンゾピラニル、ベンゾピラノニル、ベンゾフラニル、ベンゾフラノニル、ベンゾフラザニル、ベンゾチアゾリル、ベンゾチエニル、ベンゾチエノ[3,2-d]ピリミジニル、ベンゾトリアゾリル、ベンゾ[4,6]イミダゾ[1,2-a]ピリジニル、カルバゾリル、シンノリニル、シクロペンタ[d]ピリミジニル、6,7-ジヒドロ-5H-シクロペンタ[4,5]チエノ[2,3-d]ピリミジニル、5,6-ジヒドロベンゾ[h]キナゾリニル、5,6-ジヒドロベンゾ[h]シンノリニル、6,7-ジヒドロ-5H-ベンゾ[6,7]シクロヘプタ[1,2-c]ピリダジニル、ジベンゾフラニル、ジベンゾチオフェニル、フラニル、フラザニル、フラノニル、フロ[3,2-c]ピリジニル、5,6,7,8,9,10-ヘキサヒドロシクロオクタ[d]ピリミジニル、5,6,7,8,9,10-ヘキサヒドロシクロオクタ[d]ピリダジニル、5,6,7,8,9,10-ヘキサヒドロシクロオクタ[d]ピリジニル、イソチアゾリル、イミダゾリル、インダゾリル、インドリル、インダゾリル、イソインドリル、インドリニル、イソインドリニル、イソキノリル、インドリジニル、イソキサゾリル、5,8-メタノ-5,6,7,8-テトラヒドロキナゾリニル、ナフチリジニル、1,6-ナフチリジノニル、オキサジアゾリル、2-オキソアゼピニル、オキサゾリル、オキシラニル、5,6,6a,7,8,9,10,10a-オクタヒドロベンゾ[h]キナゾリニル、1-フェニル-1H-ピロリル、フェナジニル、フェノチアジニル、フェノキサジニル、フタラジニル、プテリジニル、プリニル、ピラニル、ピロリル、ピラゾリル、ピラゾロ[3,4-d]ピリミジニル、ピリジニル、ピリド[3,2-d]ピリミジニル、ピリド[3,4-d]ピリミジニル、ピラジニル、ピリミジニル、ピリダジニル、ピロリル、キナゾリニル、キノキサリニル、キノリニル、イソキノリニル、テトラヒドロキノリニル、5,6,7,8-テトラヒドロキナゾリニル、5,6,7,8-テトラヒドロベンゾ[4,5]チエノ[2,3-d]ピリミジニル、6,7,8,9-テトラヒドロ-5H-シクロヘプタ[4,5]チエノ[2,3-d]ピリミジニル、5,6,7,8-テトラヒドロピリド[4,5-c]ピリダジニル、チアゾリル、チアジアゾリル、チアピラニル、トリアゾリル、テトラゾリル、トリアジニル、チエノ[2,3-d]ピリミジニル、チエノ[3,2-d]ピリミジニル、チエノ[2,3-c]プリジニル（pridinyl）、及びチオフェニル(すなわち、チエニル)がある。いくつかの実施態様において、ヘテロアリールはジチアジニル、フリル、イミダゾリル、アザインドリル、インドリル、イソキノリニル、イソキサゾリル、オキサジアゾリル(例えば、(1,3,4)-オキサジアゾリル、(1,2,3)-オキサジアゾリル、又は(1,2,4)-オキサジアゾリル)、オキサゾリル、ピラジニル、ピラゾリル、ピラジル、ピリダジニル、ピリジニル、ピリミジニル、ピリミジル、ピロリル、キノリニル、テトラゾリル、チアゾリル、チエニル、トリアジニル、(1,2,3)-トリアゾリル、又は(1,2,4)-トリアゾリルであり得る。ヘテロアリール基上の置換基は、アミノ、アルキルアミノ、又はメチレンアミノであり得る。
【００２０】
複雑な環境で高い化学選択性を有する分子又は官能基を活性化することは、遷移金属ベースの触媒の中心的な目標である。また、選択した基質及び触媒系の間の強力な相互作用の促進を利用することにより、選択性が高くカスタマイズ可能なセンサを作製することができ、これらの概念は酵素プロセスについて広く認識されている。本発明者らは、有機金属反応の検知能力への変換に成功したことを実証する。具体的には、本発明者らは、好気的酸化的ヘック反応条件を用いたアクリレートの高度選択的検出のための単層カーボンナノチューブ（SWCNT）化学抵抗性センサを開発した。センサは触媒プロセスを反映し、カーボンナノチューブのドーピングレベルを調節する触媒反応系を採用することにより、電子不足アルケンに選択的に反応する。センサは、無処理空気中のppmレベルのアクリレートを容易に検出する。本明細書中で提示する概念は一般的に適用可能であり、既知の触媒プロセスに基づいて将来のセンサ開発をガイドすることができる。
【００２１】
化学センサの選択性は、標的分子及び検知デバイスのセレクタユニットの間の分子相互作用に依存する。この相互作用は、吸着若しくは膨張による物理的なもの、セレクタ及び標的の反応による化学的なもの、又は生体分子における相補的DNA相互作用若しくは受容体/ゲスト相互作用を手段とする（levering）相補的な分子認識事象のいずれかであり得る。参考文献1-11を参照されたい。このパラダイムの範囲を拡大するために、本発明者らは本明細書において、合成における有用性を高めるために開発された遷移金属触媒サイクルを使用して、エチルアクリレート及び同様の反応性を有する炭素-炭素多重結合を含む分子の頑健な選択的センサを作製する方法を実証する。
【００２２】
電子の豊富なアルケン及びアルキンは、テトラジンにより機能化されたSWCNTネットワークを用いた反応スキームにより検出することができる。参考文献12及び13を参照されたい。このスキームにおいて、テトラジンセレクタは反応生成物の1つとして二窒素を押し出す標的とのディールス・アルダー反応を受ける。反応に際し、SWCNTベースのマトリックスの導電性の変化を誘導するセレクタの電子供与特性が変化する。センサの寿命が尽きると、テトラジンセレクタが消費される。これにより、その長期安定性が制限され、用量依存的に感度が変化し得る。この研究では、本発明者らは、非常に大規模でのポリマーの生産に使用されるアクリレートを含む電子不足のアルケンを標的とする。本発明者らは、このプロセスにおける遷移金属触媒反応の使用をさらに目的とする。ここで触媒はカーボンナノチューブネットワークの伝導性の変化を生み出すために使用可能な異なる酸化状態間でサイクルする。センサの寿命が尽きると、触媒中間体（セレクタ）が触媒サイクルの完了により再生し、標的分析物の非存在下で、系は休止状態になる。
【００２３】
本発明者らが標的とするアクリレート分析物は、スキーム1に示すように、オレフィンとアリールボロン酸との酸化的Pd触媒クロスカップリングに好ましい基質である。触媒サイクルは、パラジウム（0）及びパラジウム（II）間の酸化還元サイクル及び酸化剤としての二酸素の使用を伴う。参考文献14〜17を参照されたい。本発明者らは、同じ酸化還元サイクルを用いて、化学抵抗性デバイスでの化学抵抗反応を促進することができるとの仮説を立てた。類似した触媒スキームは多く存在し、そのため本発明者らは、合成に最適化された触媒反応を利用することにより、化学抵抗性センサの作製の機会が広がっていくことを想定している。
【化１】
2021518530.tif 000003
【００２４】
（スキーム1：オレフィンの好気的酸化的ヘックアリール化）
エチルアクリレートは、それがアクリル樹脂、塗料、織布、接着剤、又は封水剤に使用するポリマーの製造に使用される多くの産業の現場で見いだされる毒性化合物である。参考文献18を参照されたい。エチルアクリレートに曝露されると、鼻、のど、肺の炎症を引き起こす場合がある。参考文献19及び20を参照されたい。濃度が25 ppmを超えると、エチルアクリレートは嗜眠傾向、浮動性めまい、疲労、頭痛、悪心、呼吸困難、及びさらには痙攣を誘導し得る。参考文献18を参照されたい。さらに、エチルアクリレートへの曝露は、動物実験におけるがんのレベルの増加に関連する。参考文献21及び22を参照されたい。現在のエチルアクリレート検出技術は、曝露時点での空気試料の収集及びそれに続くガスクロマトグラフィーによる遠隔分析からなる。参考文献18を参照されたい。この古典的な実験室スキームでは、エチルアクリレート及び他の関連する発癌性化合物のリアルタイムモニタリングは排除されている。軽量の化学抵抗性センサにより、リアルタイムでのモニタリング又は理想的には無線で読み取ることができるウェアラブルセンサを可能にし得る。参考文献23及び24を参照されたい。
【００２５】
本発明者らの初期の原理実証検知実験では、Pd(OAc)2、NaOAc、塩化トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム、及びヨード、ブロモ、又はクロロベンゼンを0.04:1.5:10:1.0の比で利用した。参考文献25を参照されたい。化学抵抗性センサは、セレクタと相互作用するように作られた単層カーボンナノチューブ(SWCNT)のランダムナノワイヤマトリックスを利用する。このSWCNTマトリックスは、絶縁ガラス基板上の2つの金電極を相互接続し、センサ信号は、一定の電圧が印加された電極間の正規化電流の変化である。センサデバイスからの信号を（ΔG/G0）と表す。ここで、ΔGは変化コンダクタンス（電流）であり、G0は分析物がない場合のベースライン応答である。図2Aは、異なる触媒配合を有するこれらの固相デバイスがエチルアクリレートに反応することを示す。図2Aを参照して、エチルアクリレートの原理実証センサは、Pd(OAc)2、NaOAc、塩化トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム、及びヨード、ブロモ、又はクロロベンゼンの混合物をN2中の様々な濃度のエチルアクリレートに対するコセレクタとして使用するSWCNTセンサの反応を実証する。点線を用いて視覚化処理する。エチルアクリレートの蒸気と接触すると、濃度がわずか50.0 ppmでも、デバイスを通過する電流は劇的に減少する。純粋なSWCNT又はイオン性液体NaOAc及び/又はハロベンゼンと混合されたSWCNTを含むが、パラジウム触媒前駆体を欠くデバイスを用いた、同じ曝露条件下での対照実験では、観察可能な反応を示さなかった（図2B）。図2Bを参照して、原理実証系用の追加の対照を示す。CNTのみを含むセンサ（黒色曲線）、IL、塩化トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウムを含むセンサ（赤色曲線）、Pd源Pd(OAc)2を欠くセンサ（緑色曲線）、及びPd(OAc)2、NaOAc、塩化トリヘキシル(テトラデシル)ホスホニウム、及びヨードベンゼン（緑色曲線）を含む完全触媒混合物を含むセンサのN2中の50 ppmエチルアクリレートの1分間の曝露に反応するコンダクタンスの平均変化及び標準偏差（網掛け領域）（N≧6センサ）。
【００２６】
例えば、化学抵抗性センサは、[Pd]、塩基、イオン性液体、及びCカップリングパートナー（PhX）の混合物により機能化されるSWCNTに基づき得る。SWCNTマトリックスは2つのAu電極を接続する；センサ信号は、センサを分析物に曝露したときの電気伝導性（ΔG/G0）の正規化された変化である。エチルアクリレートの蒸気と接触すると、濃度がわずか50.0 ppmでも、触媒混合物を含むデバイスを通過する電流（緑色曲線）は劇的に増加する。
【００２７】
エチルアクリレートの曝露に対するデバイスの反応の規模は、溶液中の同じ触媒反応について観察される、予想される反応傾向（ヨードベンゼン＞ブロモベンゼン＞クロロベンゼン）に従う（図2C）。参考文献25及び26を参照されたい。しかしながら、検出器の反応は、エチルアクリレートの濃度に比例して決定されるわけではない。本発明者らは、この系の不均一性が、少なくとも部分的に非線形的挙動の原因となっていると推測する。さらに、無配位子ヘック反応では、触媒種は定義が不十分であり、しばしばコロイド性パラジウムとみなされる。参考文献26を参照されたい。
【００２８】
検知信号がエチルアクリレート及びハロベンゼンのカップリング反応によって生成されるという本発明者らの作業仮説を裏付けるために、本発明者らの検知デバイスからの反応生成物を単離することを試みた。デバイスをエチルアクリレート（100 ppm）に14時間曝露した後、クロロホルムで洗浄し、反応生成物を単離した。抽出された材料のプロトンNMRにより、けい皮酸エチルが生成されることが明らかとなり（図3）、触媒反応が検知デバイス上で行われ得るという本発明者らの仮説が裏付けられた。図3を参照して、100 ppmのエチルアクリレートに14時間曝露した後、検知デバイスから単離したCDCl3のヨードベンゼン及びエチルアクリレートの間のヘック反応の反応生成物の1H-NMRスペクトル。文献参考値：
【化２】
2021518530.tif 000004
【００２９】
これらの原理実証研究の成功を踏まえ、本発明者らは配位子により安定化された活性触媒種を含む均一系の達成を目標に据えた。特に、本発明者らは好気的酸化的ヘックカップリングを採用することに決定した。参考文献28を参照されたい。利点は、ほとんどの検知使用例で存在するキャリアガス（空気）を酸化物質として作用させる点である。触媒混合物は、パラジウム源としての[Pd(CH3CN)4](BF4)2、配位子としての4,5-ジアザフルオレノン及びカップリングパートナーとしてのフェニルボロン酸も含む（比率0.05：0.05：1）。
【００３０】
この触媒反応を溶液環境で利用するセンサの開発において、本発明者らは長期間の検知実験にわたり持続し得るいくつかの溶媒を調査した。図4A-4Cは、8種類の異なる溶媒；イオン性液体、シリコーンオイル、及び低粘度PDMSを含むセンサの反応を示す。試験した溶媒の中で、臭化1-ブチル-3-メチルイミダゾリウム（[BMIM][Br]）について、可逆性が制限されているものの、最も強い反応を得た。[BMIM][I]又は[EMIM][OAc]を溶媒として使用した場合、ヘック反応に由来する反応は観察されなかった。[EMIM][PO2(OEt2)]中での反応は中程度の反応を示したが、完全な可逆性を提供するという利点を有していた。取得された最適化反応条件を用いて、本発明者らはセンサの検知機構を調査した。図4A-4Eを参照する：（a）空気中で希釈したエチルアクリレート（相対湿度＝46%）50.0 ppmに向けた[Pd(CH3CN)4](BF4)2、4,5-ジアゾフルオレノン、及びフェニルボロン（比0.05：0.1：1）を用いた、異なる溶媒を含むデバイスのセンサ反応。(b)ボロン酸カップリングパートナーを欠くセンサ（黒色曲線）、Pd源を欠くセンサ（赤色曲線）、配位子を欠くセンサ（緑色曲線）、並びに完全触媒混合物1（緑色曲線）センサ及び触媒混合物1の成分を含むインサートに対する1分間の曝露に反応するコンダクタンスの平均変化及び標準偏差（網掛け領域）（N≧6センサ）。
【００３１】
触媒反応がセンサの反応を引き起こしているという本発明者らの仮説を裏付けるために、いくつかの対照実験を実施した。図4Bには、空気中の50 ppmエチルアクリレートの60秒曝露に反応して、さまざまな機能化されたデバイス反応を示す。純粋なSWCNT(図4C）又はイオン性液体のみ（図4C）を用いた対照実験で示された反応は、無視できる程度であった。また、触媒系の重要な成分―ボロン酸カップリングパートナー（黒色曲線）又はパラジウム源（赤色曲線）―を欠くセンサは、エチルアクリレートへの曝露に対する反応を示さず、それにより触媒反応が化学抵抗性挙動に寄与するという本発明者らの仮説が裏付けられた。図4Cを参照して、原理実証系用の追加の対照を示す。CNTのみを含むセンサ（黒色曲線）、フェニルボロン酸を含むセンサ（赤色曲線）、フェニルボロン酸及び[EMIM][PO2(OEt)2]を含むセンサ（緑色曲線）、及び完全触媒混合物1を含むセンサ（緑色曲線）のための空気中の50 ppmエチルアクリレートの1分間の曝露に反応するコンダクタンスの平均変化及び標準偏差（N≧6センサ）（網掛け領域）。さらに、より低い導電率に対する反応の方向性は、検知機構と一致する。オレフィンカップリングパートナー（エチルアクリレート）の非存在下において、触媒サイクルの休止状態は、アリールパラジウム（II）中間体となる。オレフィンと反応すると、一定数のパラジウム中心が一過的に（正式にいうと）Pd(0)状態にある。SWCNTは物理吸着酸素によってp-ドープされ29,30、Pd(0)種への電荷移動はこれらの電荷キャリアを除去すると予想され、これによりコンダクタンスが比例して減少する。
【００３２】
以下を注記する：
可逆性及び安定性の向上：配位子により安定化された活性触媒種を含む均一系；その全体が参照により組み込まれているIzawaらの文献、Angew. Chemie Int. Ed. 2013, 52 (13), 3672により報告される条件に基づく好気的酸化的ヘックカップリング；
可逆的で安定したセンサを作製するために、IL溶媒の影響を調査する。[EMIM][PO2(OEt2)]は中程度の反応しか示さなかったが、優れた可逆性を得るという利点があった。全てのさらなるセンサは、溶媒として[EMIM][PO2(OEt2)]を含む。
可逆性：無溶媒条件下では、検知反応は半可逆的であり、同じ濃度に繰り返し曝露されると反応が低下する。[EMIM][PO2(OEt2)]を含むセンサは、複数回の連続的曝露にわたり規模が低下しない可逆的反応を有する；
対照実験：触媒系の重要な成分―ボロン酸カップリングパートナー（黒色曲線）又は[Pd]（赤色曲線）―を欠くセンサは、エチルアクリレートへの曝露に対する反応を示さない；
[Pd]及びボロン酸カップリングパートナーを含むが―配位子を欠く―センサは、実験的時間枠にわたり不可逆性を示す中程度かつ用量測定の反応（dosimetric response）を示した；
配位子（4,5-ジアザフルオレノン）の導入により、反応が有意に増加した。信号の増加は、触媒反応の効率の向上を反映している可能性がある。
【００３３】
パラジウム前駆体及びボロン酸カップリングパートナーを含むが―配位子を欠く―センサは、実験的時間枠にわたり不可逆性を示す中程度かつ用量測定の反応を示した（青色曲線、-4.2±0.77%）。反応の不可逆性は、無配位子パラジウム反応における非反応性Pd-ブラックの形成に関する過去の報告と一致する31,32。用量測定は、累積的曝露が関心対象となり、センサがその初期状態及び最終状態でのみ読み取られる状況で魅力的となり得る。反応が配位子4,5-ジアザフルオレノンの導入（緑色曲線-16.2±1.0%）により、有意に増加した。信号の増加は、触媒反応の効率の向上を反映している可能性がある。
【００３４】
図5A〜5Cを参照して：（a-b）空気中のエチルアクリレートの異なる濃度に対する1-センサの反応；(c)新しく調製した、及びベンチトップでの2週間にわたる保存後の、50 ppmエチルアクリレートに対するデバイスの反応（網掛け領域）。本発明者らのセンサの実世界への適用可能性を評価するために、感度、安定性、及び選択性を調査した。図5A-5Bは、さまざまな濃度のエチルアクリレートに対する反応を示している。このセンサは、空気中10〜100 ppmの濃度のエチルアクリレートに比例して反応する。10 ppmエチルアクリレートの1分間の曝露に対する明確な信号を観察する（図5A）。これは、OSHAの曝露限界である25 ppm、8時間の範囲内によく収まる33。図5Cでは、製造直後及び実験室のベンチトップでの2週間にわたる保管後のデバイスの反応を比較する。この期間にわたりセンサの性能の低下は観察されなかった。 
【００３５】
図6A-6Dは、ヘック反応の基質ではない一般的に見いだされる揮発性有機化合物（VOC）に対するデバイスの反応を示す。連結（ligating）VOCも、非連結（non-ligating）VOCも、混合物1で機能化されるセンサからの顕著な反応を誘発しない。このことは、検知機構がPd源の連結又は溶液特性の単純な変化の結果ではないことを示す。
【００３６】
本発明者らのセンサの反応は、ヘック反応で観察された一般的な反応傾向に従う。活性化アルケン（スチレン、塩化アクリロイル、エチルアクリレート、図6B）は、単純直鎖又は環状アルケン化合物（シクロヘキセン、1-ヘキセン、1-オクテン、図6B）よりも高い反応を有する。ノルボルネン、ノルボルナジエン、及びシクロオクタジエンなどの歪み環状アルケンは、ヘック反応には困難な化合物であり、かつまた、本発明者らの検知実験ではより低い反応を与える（図6C）。参考文献34〜37を参照されたい。さらに、ヘックアルキニル化（無銅薗頭）用基質は首尾よく使用可能である（図6D）。参考文献38を参照されたい。従って、末端アルキン（1-オクチン、1,7オクタジイン）は、試験後の内部アルキン（4-オクチン、5-デシン）よりも反応性が高い。図6A〜6Cを参照して：さまざまな分子クラスに対するデバイスのセンサ反応：（a）揮発性有機化合物、（b）単純活性化アルケン、（c）歪み環状アルケン及び低分子ガス分析物、及び（d）アルキン。
【００３７】
以下を注記する：
センサの反応は、ヘック反応で観察された一般的な反応傾向に従う；
活性化アルケンは、単純直鎖又は環状アルケン化合物よりも反応性が高く、歪み環状アルケンは、ヘック反応が困難な化合物であり、また本発明者らの検知実験ではより低い反応を与える；
ヘックアルキニル化用基質は首尾よく使用可能であり、末端アルキンは内部アルキンよりも高い反応をもたらす。
【００３８】
ヘック反応で従来使用されていた基質を含むほとんどのC＝Cは比較的低い蒸気圧を有し、本発明者らのSWCNTネットワークをコーティングした触媒溶液への蒸気の分配に差があるため、本発明者らのガスセンサの反応の、文献反応収率との相関を見いだすことができなかった。その代わり、他のすべての条件を変えないままにして、窒素含有配位子の機能として、本発明者らの化学抵抗性デバイスの反応の相関を見いだした（図7）。また、全体的に、比較的高い反応収率を有することが報告されている配位子は、本発明者らの検知実験において比較的良好な性能を示し17,28、注目すべき例外として、中程度の反応収率をもたらしたが、非常に高い検知反応を与えた2,2'-ビピリジン/Pd(OAc)2（エントリ10）の組合わせがあった。参考文献17及び28を参照されたい。図7を参照して：公開された反応収率と比較した、様々な配位子及びパラジウム源を含むデバイスのセンサ反応：(1)4,5ジアザフルオレノン/[Pd(CH3CN)4](BF4)2、(2)4,4'-ジメチル-2,2'-ジピリジル/[Pd(CH3CN)4](BF4)2、(3)配位子なし/[Pd(CH3CN)4](BF4)2、(4)2,9-ジメチル-1,10-フェナントロリン/[Pd(CH3CN)4](BF4)2、(5)フェナントロリン/[Pd(CH3CN)4](BF4)2、(6)5,5'-ジメチル-2,2'-ジピリジル/[Pd(CH3CN)4](BF4)2、(7)6,6'-ジメチル-2,2'-ジピリジル/[Pd(CH3CN)4](BF4)2、(8)2,2'-ビピリジン/[Pd(CH3CN)4](BF4)2、(9)フェナントロリン/Pd(OAc)2、(10)2,2'-ビピリジン/Pd(OAc)2。
【００３９】
以下を注記する：
ヘック反応で使用される大部分のC=Cを含む基質は非常に低い蒸気圧を有し、ガスの検知を困難にする；
その代わり：他のすべての条件を変えないままにして、窒素含有配位子の機能として、化学抵抗性デバイスの反応の相関を見いだした；
また、一般的に、比較的高い反応収率を有することが報告されている配位子は、検知実験において比較的良好な性能を示し、注目すべき例外として、2,2'-ビピリジン/Pd(OAc)2（エントリ10）の組合わせがあった；
ガスセンサを触媒反応の条件を探査するためのツールとして使用する潜在性。
【００４０】
本発明者らは、気体分析物の化学抵抗性検出に対する触媒有機金属反応条件の直接的変換を確立した。このアプローチを用いると、選択的触媒反応の開発に多大な投資を行うことで、有害化合物の検出にSWCNTセンサの範囲を大幅に拡大することができる。本発明者らのセンサは、OSHAの限界を十分に下回る感度で、好気的ヘック反応を受ける分子に対して顕著な選択性を示す。本発明者らは、他の群の分析物の選択的、頑健、かつ高感度センサを作製するために、他の触媒プロセスを適応させることを積極的に試みている。
【００４１】
分析物は、任意の反応性アルケン、例えばプラスチック、塗料、及び接着剤の生産に使用されるものとすることができる。触媒は、アルケンの反応を促進する触媒であり得る。センサは、固定式センサ又はウェアラブルワイヤレスバッジであり得る。いくつかの実施態様において、センサに追加の電極構造を含めて、導電体を横断するゲート電圧を提供し得る。
【００４２】
（実施例）
（実験的な方法）
（材料及び計装）
本研究で用いられたSWCNTは、炭素ベースで≧90％（カーボンナノチューブとして≧99％）、Aldrichから購入した平均直径0.78 nmの（6,5）キラリティを有するSWCNTを精製した。市販の溶媒―ジクロロメタン（DCM）、1,2-ジクロロベンゼン（o-DCB）、アセトン、テトラヒドロフラン、阻害剤としての＜0.025%ブチル化ヒドロキシトルエン、イソプロピルアルコール―をSigma-Aldrichから購入し、受け取り時に使用した。エチレン及びアセチレンは、Airgas（Airgas、Dorchester、MA）から購入した。他のすべての化学物質はSigma Aldrichから購入し、さらに精製することなく使用した。NMRスペクトルは、Bruker Avance-400分光計で記録した。
【００４３】
（反応混合物1の調製）
フェニルボロン酸(0.1 mmol/12.19 mg)及び4,5ジアザフルオレノン（0.005 mmol/0.910 mg)を遠心チューブに加え、30 mgの[emim][PO4]で被覆した。混合物を、混合物が均一になるまで（5分）超音波処理した。次に、テトラキス（アセトニトリル）Pd(II)テトラフルオロボレート（0.005 mmol、2.22 mg）及び30 μlのNMPをチューブに加え、その後1分間の超音波処理を行った。結果として得たオレンジ色の混合物は、調製後すぐに使用した。
【００４４】
（検知基板の作製）
センサは、金電極を使用した25 mm×75 mm×1 mmのガラス基板上で作製し、それぞれ10分間、ヘキサン、アセトン、及びイソプロパノール中での超音波処理により洗浄した。金電極（厚さ100 nm）は、1-4×10-5 Torrの圧力及び1-2 A/sの蒸発速度の下、Thermal Evaporator（Angstrom Engineering, Kitchener, Ontario, Canada）を使用したステンレス鋼シャドウマスクを通し、スライドグラスの表面に蒸着させた。
【００４５】
（化学抵抗性センサの作製）
典型的なデバイスにおいて、ドロップキャスト及びそれに続く機能化を介したSWCNTの2工程堆積によってセンサを作製した。純粋SWCNTを、0.25 mg mL-1の濃度でo-DCB中に懸濁し、マイクロピペットを使用してソース電極/ドレイン電極間のパターン化された基質にドロップキャストした。各基板には、16個の同一のチャネルを含めた。溶媒を真空中で除去した。ドロップキャストは、電極間の抵抗がマルチメータで測定した抵抗1-3 kΩに達するまで繰り返した。その後、基板を1 μlの混合物1で被覆した。
【００４６】
（ガス検出測定）
ガス検出測定は、センサを小型ガス注入口及び出口付きのカスタム製造PTFE筐体中に配置することにより実施した。デバイスの試験クリップ（3M）は、ソース/ドレイン電極及びゲート間の電気的接点を提供する。MUX16マルチプレクサー（Palm Instruments BV、オランダ、http://www.palmsens.com/）を備えるPalmSens EmStatポテンショスタットは、ソース-ドレイン電圧（0.100 V）を適用し、ソース/ドレイン電極間のコンダクタンスを測定するために使用した。データの取得は、Palm Instrumentsにより提供されるPSTrace4.8ソフトウェアを使用して行った。分析物ガス及びキャリアガス（N2又は空気）は、筐体の注入口ポートと出口ポートを通るゴムチューブを使用して筐体に送達した。分析物ガスは、KIN-TEK FlexStreamガス発生器（Kin-Tek Laboratories, La Marque, TX）を使用して発生させ、又は（気体分析物の場合）Alicat Scientific（Alicat Scientific、Tucson、AZ）から購入した2つのデジタル質量フロー制御装置（MFC）を使用して送達した。
【００４７】
（1.追加の対照実験）
（原理実証検知系）
Pd(OAc)2、NaOAc、塩化トリヘキシル（テトラデシル）ホスホニウム、及びヨードベンゼンを0.04:1.5:10:1.0の比率で含む原理実証触媒混合物は、強く、しかしながら遅れた反応を示す。曝露及び反応の間の時間的遅延、濃度及び反応の間の非線形関係（図2A）、並びに系の不可逆性のため、本発明者らは、十分に定義された分子触媒を含む触媒系を調査することに決めた。参考文献25aを参照されたい。
【００４８】
一酸化炭素SWCNT-FETデバイスの成功を踏まえ、本発明者らは銅と連結したフェナントロリンにより機能化されたSWCNTを使用して、本発明者らの電圧活性化感度を有するFETベースのセンサの範囲を拡大することを目指している（銅-フェナントロリン錯体で機能化されたSWCNTを図示する図8）。この系は、CO及びNOの電圧調節センサに使用する。この方法の目的は、スイッチとして印加されるゲート電圧を使用して、本発明者らのセンサのチューニング可能性をさらに発展させることである。本発明者らは過去負のゲート電圧を印加することで、一酸化炭素に対するセンサの感度を向上させることができることを示した。現在、本発明者らは異なるゲート電圧で異なる分析物を検出可能なマルチモーダルセンサを作製することを目指している。具体的には、ゲート電圧によりセンサの選択性を調整する。
【００４９】
まず、銅イオンの使用を精査し、CuIとCuIIの間で調節して、センサの選択性を調整できるようにした。SWCNTを含む本発明者らの系に銅を組み込むために、ビピリジン又はフェナントロリン錯体を含む新規配位子を含む共有結合により機能化されたSWCNTから着手した。これらの錯体は、過去の研究で使用したピリジル配位子よりも銅イオンのキレートに好適である。図9は、2-ビピリジンヨードニウム塩（f-1）及び本発明者らの過去に報告された方法により結果として得た共有結合により機能化されたSWCNT（F-1）の合成を示す9。同様に、3-ビピリジン及び3-フェナントロリンヨードニウム塩を合成し、SWCNT上で共有結合により機能化し、結果としてF-2及びF-3を得た。結果として得た機能化されたSWCNTは、紫外可視近赤外分光法（UV-vis-NIR）、ラマン分光法、熱重量分析（TGA）、及びX線光電子分光法（XPS）を介して確認した。
【００５０】
続いて2-ビピリジン（F-1）を用いて機能化されたSWCNTを使用して、銅イオンの供給源として過塩素酸銅（II）、Cu(ClO4)2を使用してFETベースのデバイスを作製した。キャリアガスとして窒素を含む500 ppmの一酸化窒素（NO）に曝露された場合、F-1を含む系は、純粋なSWCNTを使用した系よりも高い感度を示した。さらに興味深いことに、図10は、異なる印加ゲート電圧を用いてNOに曝露された際の、センサのコンダクタンスの変化を示す。500 ppmの一酸化窒素（NO）に曝露された際の、異なるゲート電圧での検知反応。N≧6のセンサから示される平均値及び標準偏差。正又は負のゲート電圧を印加した際の信号の抑制を観察した。この詳細な知見は、本発明者らに本発明者らのセンサの選択性を適応させる調整可能な方法をもたらし得る。
【００５１】
（エチレン検出用マルチモーダルCNTベースセンサに向けて）
スイッチとして印加されるゲート電圧を使用して本発明者らのセンサのチューニング可能性をさらに発展させるため、本発明者らは異なる分析物を検出可能な電圧活性化センサを作製することを目的とした。本発明者らのグループでは、過去ゲート電圧により活性化することなくCu(I)スコルピオネート錯体を用いたエチレンの検出を報告しているが、最近Cu(I)錯体の酸化状態を制御することで、そのガス検知スキーム中のセレクタとしての性能を大きく高めることができることが実証された。参考文献28A及び29Aを参照されたい。この効果を利用するために、FET基板を用いた初期検知実験を実施し全ての銅錯体をそれらのCu(I)形態（図11中のCu(I)スコルピオネート構造）へと還元した。印加ゲート電圧を使用してエチレンを検出するセンサ。（a）Cu(I)スコルピオネート錯体の化学構造。（b）0 Vゲート電圧（黒色曲線）、-20 Vゲート電圧（赤色曲線）での100 ppmエチレンの曝露に対する7を用いた検知性能。
【００５２】
Cu(I)スコルピオネート錯体を使用する初期検知実験を実施して、ゲート電圧の検知性能に対する影響を精査した。センサは、SWCNT及び順次続くセレクタの溶液のドロップキャスト分散により、FET基板上で作製した。ゲート電圧（-20 V）の適用により、ゲート電圧ゼロでの同じデバイスと比較して、100 ppmエチレンに対する検知性能が100%高められた（図11）。
【００５３】
（アジリジン部分により機能化されたSWCNTにおけるπ-共役の保存）
本発明者らの過去の研究において、本発明者らは一酸化炭素に曝露された場合、ピリジル機能化の密度が検知反応の強度の決定に重要な役割を果たすことを発見した。参考文献30Aを参照されたい。ピリジル配位子を用いると、SWCNT及び鉄ポルフィリンの間の電子カップリングが改善された。しかしながらまた、共有結合性機能化によって、SWCNTの層に沿ったπ-共役が破壊された。従って、機能化の密度及びπ-共役の保存の間のトレードオフは、本発明者らが観察した最適密度をもたらした。
【００５４】
観察された競合を克服するために、本発明者らはアジリジンによる機能化の使用を目標に据えた。アジリジン配位子は、拡張されたsp2ネットワークを構築することによりπ-共役を維持する。本発明者らのグループは、シクロヘキサノン及びニトロメタンの化学抵抗性センサの開発のためのアジリジン化を通じたSWCNTの機能化を過去報告している。参考文献31Aを参照されたい。図12は、ピリジル及びピリジルアジリジン配位子を用いて機能されたSWCNTの模式的表現を示す。本発明者らは、ピリジルアジリジン配位子の、TGA及びXPSを通じた機能化に成功したことを確認した。予想通り、UV-vis-NIR及びラマン分光法を通じて観察された光学的及び電子的特性は変化しなかった。図12は、2分間、200 ppmのCOに曝露された際の、印加されたゲート電圧の関数としてのセンサのコンダクタンスの変化を示す。図12は、一酸化炭素（CO）を検出するためにピリジル及びピリジルアジリジン及び鉄ポルフィリンにより機能化されたSWCNTの模式的表示であり、120秒間200 ppmのCOに曝露された際の印加されたゲート電圧の関数としてのセンサのコンダクタンスの変化を示す。負のゲート電圧により、両方の機能化SWCNTの信号強度が向上し；ピリジルアジリジンはピリジル配位子よりも大きな信号を提供した。この機能化方法は、将来の応用に理想的に適合するものと思われる。機能化の密度を高めることにより、分析物に対するSWCNTベースのセンサの感度がより良好になるはずである。
【００５５】
（ゲート電圧制御H2Sセンサ用有機セレクタに向けて）
本発明者らの金属装飾のSWCNTを用いたマルチモーダルガスセンサの開発に向けた試みに並行して、本発明者らの電圧活性化検知スキームにおける酸化還元活性有機分子の有用性を検討している。低分子有機分子を使用する利点は、（1）標準的な有機化学を使用して、本発明者らがその反応性を調整できること、（2）さらなる改変工程を要することなく本発明者らがセレクタを直接SWCNTに固定できること、及び(3)化学抵抗性及び光学反応を同時に使用して、より忠実度の高い検知デバイスを開発する機会を得ることである。本発明者らは、原油及びガスの生産において一般的に見いだされる毒性の高いガスであるH2Sを検知することを目指す。本発明者らは、可逆的に還元され、酸化され得る安定な有機ラジカルを含むセレクタを設計した（図13）。そのカルボカチオン形態にあって、セレクタはH2S又はH2S模倣物（1-ヘキサンチオール）と良好に相互作用し得る。図13は、安定なπ-ラジカルセレクタの化学構造、セレクタの吸収及び放出スペクトル、並びに2つの可逆的酸化還元事象を示す10 mV s-1のスキャン速度でのフッ化テトラ-n-ブチルアンモニウム電解質を用いたDCM溶液中での、セレクタのサイクリックボルタングラムを示す。
【００５６】
図14は、安定なπ-ラジカルセレクタ（2）の化学構造及びその蛍光挙動を示す。第1に、溶液中での2の酸化還元挙動を精査した。図14は、DCM中で2の溶液の2つの酸化還元事象が可逆的であることを示す。2の酸化及び還元は、中程度の電圧（-1.00V及び+0.54V対Fc/Fc+）で誘発され、これにより陽イオン、ラジカル、及び陰イオン状態間での非劣化サイクルを可能とし得る。次の工程は、溶液化学を固体に置き換えることとする。ここではそれぞれ正、中性、及び負のゲート電圧を有する求核性、ラジカル、及び求電子性分析物を標的としていきたい。
【００５７】
予備データから、セレクタを用いると、H2Sに対する感度が増強されることが示された。センサは、SWCNT及び順次続くセレクタの溶液のドロップキャスト分散により、FET基板上で作製した。その後、センサを、ソース及びドレイン（VDS）を横断する一定の印加電圧並びに可変ゲート電圧（VG）とともに、ソースメータユニット（Keithley 4200）に接続した。初期の実験では、セレクタ及びSWCNTを含む無印加ゲート電圧（VG=0V）センサでさえも、SWCNTのみを含む対照デバイスよりも性能が優れていることが実証された。興味深いことに、正及び負の両方向にゲート電圧を印加することで、H2Sに対する感度が向上する。特に、本発明者らは、H2Sの可逆的検出をもたらすために有機セレクタを標的としたが、電流セレクタのH2Sとの相互作用は、不可逆的であるようであった。長時間の曝露により、飽和が観察された。可逆性が低く、反応の規模が小さいため、H2Sの検出用のさらなるセレクタ構造を探索する。化学的スキームは、酸化還元活性化セレクタが可逆的なH2Sセンサを発生させ得る方法を示す。有機セレクタ及びSWCNTの複合材を異なる印加ゲート電圧での10分間の96 ppm H2Sの曝露に対するコンダクタンスの変化に関する予備データ。灰色のバーは、セレクタを含まず、ゲート電圧がかからないSWCNTからの反応を表す。
【００５８】
先に引用した以下の参考文献は、参照によりその全体が組み込まれている。
【化３】
2021518530.tif 000005
2021518530.tif 000006
2021518530.tif 000007
2021518530.tif 000008
【００５９】
1以上の実施態様の詳細は、添付の図面及び明細書に記載されている。他の特徴、目的、及び利点は、明細書、図面、及び特許請求の範囲から明らかであろう。本発明のいくつかの実施態様が記載されているものの、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な修正を加えることができることは、理解されよう。また、添付の図面は必ずしも縮尺が一致しておらず、本発明の様々な特徴及び基本原理の幾分単純化された表現を提示するものであることを理解されたい。
【図１Ａ−Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ−Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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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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【国際調査報告】
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