(57)【要約】【課題】  有機質薄膜の特定液体に対する溶解性を、高精度でかつ簡便に評価する方法を提供する。【解決手段】  厚さ１０μｍ以下の有機質薄膜の特定液体に対する溶解性を評価する方法において、  （ｉ）該薄膜を表面に有する圧電素子の発振周波数を測定する第１測定工程、  （ii）該第１測定工程で得られた発振周波数測定後の圧電素子を該溶剤に浸漬する浸漬工程、  （iii)該浸漬工程で得られた該圧電素子を乾燥する乾燥工程、  （iv）該乾燥工程で得られた該圧電素子の発振周波数を測定する第２測定工程、  （ｖ）該第１測定工程で測定された発振周波数値Ａと該第２測定工程で測定された発振周波数値Ｂに基づいて該薄膜の溶解性を評価する評価工程、からなることを特徴とする有機質薄膜の溶解性評価方法。【選択図】      なし 【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ１０μｍ以下の有機質薄膜の特定液体に対する溶解性を評価する方法において、
（ｉ）該薄膜を表面に有する圧電素子の発振周波数を測定する第１測定工程、
（ii）該第１測定工程で得られた発振周波数測定後の圧電素子を該液体に浸漬する浸漬工程、
（iii)該浸漬工程で得られた該圧電素子を乾燥する乾燥工程、
（iv）該乾燥工程で得られた該圧電素子の発振周波数を測定する第２測定工程、
（ｖ）該第１測定工程で測定された発振周波数値Ａと該第２測定工程で測定された発振周波数値Ｂに基づいて該薄膜の溶解性を評価する評価工程、
からなることを特徴とする有機質薄膜の溶解性評価方法。
【請求項２】
該薄膜が、圧電素子上に直接形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機質薄膜の特定溶剤に対する溶解性を評価する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、有機質薄膜を免疫センサーやガスセンサー等に利用する研究開発が行われている。有機質薄膜は、それ自身が分子認識能を有する薄膜としてのみならず、抗体やレセプター、ＤＮＡ、ペプチド、リガンド、細胞等の分子認識作用を有する分子を、直接又は有機質薄膜から伸長したグラフト高分子やリンカーとなる分子を介してセンサー素子上に固定化する基盤としての利用が検討されている。従って、有機質薄膜は、化学的・物理的・機械的な高性能のみならず反応溶媒や使用する温度、湿度、貯蔵安定性などの高耐久性化が求められるようになっている。
【０００３】
有機質薄膜上に抗体等を化学修飾した高感度バイオセンサー用途の機能性薄膜の開発が行われているが、バイオセンサーを使用する測定環境等によって生体由来分子認識分子を固定化する土台となる有機質薄膜が反応に用いる溶剤等により膨潤や溶解すると、表面に固定化した抗体等の剥離等が生じることがあり、抗体等を固定化する機能性薄膜として利用することができない。
【０００４】
このような事象を評価するために、従来の薄膜の対溶媒への耐久性の評価法には、通常、化学天秤を用いた重量測定法やエリプソメーターや多重干渉膜厚計、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡等による膜厚測定といった手法が用いられている。
【０００５】
しかしながら、このような溶剤等による薄膜の対溶媒への耐久性評価方法は、ナノメートルからマイクロメートル単位の厚さを持つ（またはナノグラムからマイクログラムの重量を持つ）薄膜ゆえ極微量の測定をしなくてはならず、化学天秤や膜厚計によってはその検出限界を超える極微量の変化量のため適切な評価ができないという難点があり、必然的に耐溶剤性に優れた有機薄膜の製造方法も知られていなかった。
【０００６】
高耐久性の有機質薄膜の製造方法については、例えば、文献（機能薄膜プロセス技術集成、南日康夫、相澤益男編集、丸善、１９８５年、表面処理技術ハンドブック、水町浩、鳥羽山満監修、エヌ・ティー・エス、２０００年、２１世紀版薄膜作成応用ハンドブック、權田俊一、エヌ・ティー・エス、２００３年）に記載の手法が知られている。
具体的には、例えば、ラジカル重合法、プラズマ重合法、大気圧プラズマ重合法、コロナ放電法、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ法、電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、スパッタリング法、イオン化蒸着法、コンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｅｐｉｔａｘｙ法、アーク放電型イオンプレーティング法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法、分子線エピタキシー、放射線重合法、光重合法、電解重合法等で基材表面上に有機質薄膜を作成することが知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、有機質薄膜の特定液体に対する溶解性を、高精度でかつ簡便に評価する方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、以下に示す有機質薄膜の特定液体に対する溶解性の評価方法が提供される。
【０００９】
（１）厚さ１０μｍ以下の有機質薄膜の特定液体に対する溶解性を評価する方法において、
（ｉ）該薄膜を表面に有する圧電素子の発振周波数を測定する第１測定工程、
（ii）該第１測定工程で得られた発振周波数測定後の圧電素子を該溶剤に浸漬する浸漬工程、
（iii)該浸漬工程で得られた該圧電素子を乾燥する乾燥工程、
（iv）該乾燥工程で得られた該圧電素子の発振周波数を測定する第２測定工程、
（ｖ）該第１測定工程で測定された発振周波数値Ａと該第２測定工程で測定された発振周波数値Ｂに基づいて該薄膜の溶解性を評価する評価工程、
からなることを特徴とする有機質薄膜の溶解性評価方法。
（２）該薄膜が、圧電素子上に直接形成されたものであることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明で評価対象となる有機質薄膜は、その構成成分の少なくとも一部として、有機化合物を含有するものである。この場合の有機化合物には、低分子量の有機化合物及び高分子量の有機化合物が包含され、さらに、低分子量及び高分子量の有機金属化合物等も包含される。この有機質薄膜において、その膜厚は、通常、１０μｍ以下、さらに１μｍ以下、特に、０．１μｍ以下であり、その下限値は、通常、１ｎｍ程度である。
【００１１】
本発明では、測定手段として圧電素子を用いるが、この圧電素子としては、従来公知の各種のものを用いることができる。一般的には、その発振周波数が１〜１０，０００ＭＨｚ／秒、好ましくは５〜１０，０００ＭＨｚ／秒のものが好ましく使用される。この圧電素子、例えば水晶振動子において、その厚さは０．２〜０．００１ｍｍ、好ましくは０．２５〜０．０１ｍｍであり、その寸法は、その電極表面積で表わして、０．２〜０．０００２ｃｍ２、好ましくは０．３〜０．０２ｃｍ２である。圧電素子の電極表面に用いる金属の材質には、クロムやチタンを下地に、金、銀、白金、ＩＴＯ、銅、ニッケル等をもちいることが出来るが、特に含塩溶液に接した際に安定性の高い金及び白金が好ましく、特に、金が経済的にも加工上でも最も好ましい。
圧電素子は、上記の特性を満たしていれば自作できるが、各種のものが市販されているので、本発明ではこのような市販品を用いることができる。
【００１２】
本発明で使用する圧電素子としては、水晶振動子、セラミック振動子、表面弾性波素子、表面剪断波素子等が挙げられる。本発明では、これらの圧電素子の圧電効果を利用してセンサー上での分子認識反応を検出する手法であるが、本発明では特に水晶振動子の使用が好ましく、この水晶振動子等の圧電素子について記載する。このような圧電素子の動作原理と種別については、J. W. Grate, S. J. Martin, R. M. White, Anal. Chem., 65, 21 (1993) 940A-948A. および、J. W. Grate, S. J. Martin, R. M. White, Anal. Chem., 65, 22 (1993) 987A-996A.の総説に記載されている。使用する水晶振動子では、１〜１，０００ＭＨｚの水晶振動子の基本周波数やその各自の倍音での発振周波数測定法及び共振周波数測定法が利用できる。水晶振動子に換えて表面弾性波素子、表面剪断波素子、セラミック振動子等の圧電素子が同様の手法で適用できる。
【００１３】
本発明の方法は、（ｉ）表面に有機薄膜を有する圧電素子の第１発振周波数測定工程、（ii）該圧電素子を特定液体に浸漬する工程、（iii)該浸漬後の圧電素子を乾燥する工程、（iv）該乾燥後の圧電素子の発振周波数を測定する第２発振周波数測定工程、（ｖ）該第１測定工程及び該第２測定工程でそれぞれ得られた発振周波数値Ａ、Ｂに基づいて該有機質薄膜の溶解性評価工程を包含する。
以下、これらの工程について詳述する。
【００１４】
（ｉ）第１測定工程
この工程は、表面に有機質薄膜を有する圧電素子の発振周波数を測定する工程である。この場合の圧電素子の発振周波数測定装置は、当業者にとっては周知のものであり、市販装置を用いることができる。
【００１５】
前記第１工程においては、その測定試料としては、表面に有機質薄膜を形成した圧電素子を用いるが、この場合、圧電素子の表面に対する有機質薄膜の形成方法としては、各種の方法がある。このような方法としては、該圧電素子の表面に薄膜を直接形成する方法及びあらかじめ形成した薄膜を、必要に応じ接着剤等を介して接着する方法等がある。本発明では、前者の方法が好ましい。
【００１６】
圧電素子上に有機質薄膜を直接形成する方法としては、各種の方法がある。このような方法としては、例えば、ラジカル重合法、プラズマ重合法、大気圧プラズマ重合法、コロナ放電法、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、Ｍｅｔａｌ−ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ法、電子サイクロトロン共鳴スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法、アンバランスドマグネトロンスパッタリング法、イオンビームスパッタリング法、スパッタリング法、イオン化蒸着法、コンビナトリアルレーザー分子線エピタキシー法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｅｐｉｔａｘｙ法、アーク放電型イオンプレーティング法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法、分子線エピタキシー、放射線重合法、光重合法、電解重合法等が挙げられる。
【００１７】
（ii）浸漬工程
この工程は、前記第１工程で得られた、発振周波数の測定された後の薄膜を有する圧電素子を、特定の液体中に浸漬する工程である。
この工程では、該圧電素子上の薄膜が該溶剤に対して親和性の大きいものであれば、その一部が該溶剤に溶出する。一方、親和性の低いものであれば、該薄膜は極わずか溶失するが、実質上全く溶出しない。
浸漬条件としては、温度、圧力及び時間を所定値に設定した条件が採用される。その具体的条件は、その溶剤の種類等に応じて適宜決める。一般的には、測定温度は、常温からその溶剤の沸点までの範囲であり、圧力は常圧であり、時間は、通常、１〜１００時間である。
【００１８】
前記液体としては、従来公知の各種のもの、例えば、有機溶剤、水、水と有機溶剤との混合物、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、超臨界流体等が用いられる。超臨界流体を用いる場合の薄膜の測定は、例えば、Solubility Measurements of High Pressure CO2 into Polystyrene by Quartz Crystal Microbalance; K. Miura, K. Otake, S. Kurosawa, T. Sugeta, T. Sako, T. Nakane, M. Sato, T. Tsuji, T. Hiaki and M. Hongo, High Pressure Science and Technology, 6, 3 (1997) p176-181.の方法に従い測定できる。
【００１９】
（iii)乾燥工程
この工程は、前記浸漬工程で得られた溶剤を含有する薄膜を有する圧電素子を乾燥する工程である。この工程により、薄膜が乾燥し、乾燥した薄膜を有する水晶振動子が得られる。
乾燥は、真空乾燥や凍結乾燥、もちろん加温下での真空乾燥等で行うことができ、薄膜中に含まれる液体が、０．０００１重量％以下、特にゼロ％になるように行う。乾燥時間は、その乾燥法により異なるが、通常、１〜１００時間程度である。
【００２０】
（iv）第２測定工程
この工程は、前記乾燥工程で得られた乾燥後の圧電素子の発振周波数を測定する工程である。この場合、薄膜が前記浸漬工程で溶出されたときには、その薄膜の重量が減少され、その結果、その発振周波数は変動（減少）する。その周波数変動量は、その薄膜の重量減少に対応する。
【００２１】
（ｖ）評価工程
この工程は、前記第１測定工程で測定された発振周波数値Ａと、前記第２測定工程で測定された発振周波数値Ｂに基づいて、該薄膜の溶剤に対する溶解性を評価する工程である。発振周波数値Ａと発振周波数値Ｂとの差が大きくなる程、該薄膜の溶剤に対する溶解性は大きいこと、換言すれば、該薄膜の耐久性が悪いことを意味する。
前記浸漬工程で溶出した薄膜の溶出割合は、下記式により表すことができる。
Ｒ＝（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００（％）          （１）
Ｒ：薄膜の溶出割合（％）
Ａ：第１測定工程で測定された発振周波数値
Ｂ：第２測定工程で測定された発振周波数値
【実施例】
【００２２】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。なお、これらの実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００２３】
参考例１
（高耐久性アリルアルコールプラズマ重合膜の合成）
水晶振動子としては、円板状の市販品（基本発振周波数：９ＭＨｚ／秒、厚さ：０．１８５ｍｍ、水晶板直径：８ｍｍ、水晶電極直径：５ｍｍ）を用いた。この水晶振動子を、文献（S. Kurosawaら, Detection of deposition rate of plasma-polymerized films by quartz crystal microbalance, Thin Solid Films, 374, 2 (2000) p262-267.）に記載の平行平板式のサムコインターナショナル製のＰＢ１型のプラズマ重合装置の下部電極上に配置し、Ｈｅプラズマによるスパッタ処理後、アリルアルコールのプラズマ重合を行った。
重合は、１００Ｐａのモノマー圧力下、１３．５６ＭＨｚのグロー放電で１分間行った。各放電出力（４０、１００、２００Ｗ）で作製した重合膜は発振周波数測定後、所定の時間、１００℃で真空アニール処理を行った。作製したアリルアルコールプラズマ重合膜の化学構造等は、接触角測定と赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）で測定した。接触角測定結果を表１に、ＦＴ−ＩＲでの測定結果を図１にそれぞれ示す。
【００２４】
【表１】
2005077330.tif 000002
【００２５】
ＦＴ−ＩＲによる化学構造の測定では、放電出力を大きくしても薄膜中に水酸基を示す吸収が３４００ｃｍ−１付近に観察されている。このことは、プラズマ膜に水酸基が存在し、水酸基を分子変換して生体由来分子認識分子を固定化するバイオセンサー用途の機能性有機薄膜としての性質を有する。接触角の測定結果は、プラズマ重合時の放電出力が大きくなる、または真空アニール時間が増加するに伴い接触角が増加する。このことはプラズマ重合での放電出力の増加に伴い薄膜表面の疎水性が増加することを示し、かつ真空アニール処理を施すことでも同様に薄膜表面が疎水性になることを示している。
【００２６】
参考例２
（高耐久性プロパルギルアルコールプラズマ重合膜の合成）
水晶振動子を上記の文献に記載のものと同じプラズマ重合装置の下部電極上に配置し、Ｈｅプラズマによるスパッタ処理後、アリルアルコールのプラズマ重合を行った。重合は、１００Ｐａのモノマー圧力下、１３．５６ＭＨｚのグロー放電で１分間行った。各放電出力（４０、１００、２００Ｗ）で作製した重合膜は発振周波数測定後、所定の時間、１００℃で真空アニール処理を行った。作製したプロパルギルアルコールプラズマ重合膜の化学構造等は、接触角測定とＦＴ−ＩＲで測定した。接触角測定結果を表２に、ＦＴ−ＩＲでの測定結果を図２にそれぞれ示す。
【００２７】
【表２】
2005077330.tif 000003
【００２８】
ＦＴ−ＩＲによる化学構造の測定では、放電出力を大きくしても薄膜中に水酸基を示す吸収が３１００〜３４００ｃｍ−１付近に観察されている。このことは、プラズマ膜に水酸基が存在し、水酸基を分子変換して生体由来分子認識分子を固定化するバイオセンサー用途の機能性有機薄膜としての性質を有する。接触角の測定結果は、プラズマ重合時の放電出力が大きくなる、または真空アニール時間が増加するに伴い接触角が増加する。このことはプラズマ重合での放電出力の増加に伴い薄膜表面の疎水性が増加することを示し、かつ真空アニール処理を施すことでも同様に薄膜表面が疎水性になることを示している。
【００２９】
実施例１
（アセトンを溶剤とした際の薄膜の溶解性評価）
参考例１で得たアリルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子と、参考例２で得たプロパルギルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子の発振周波数を、溶解性試験前に周波数カウンターでそれぞれ測定した。各有機質薄膜被覆水晶振動子は、２００ｒｐｍで撹拌中の６０℃のアセトン５ｍｌ中に図３のように１５時間浸漬した。１５時間後、水晶振動子をアセトン中から取り出し、９０分間真空乾燥法で乾燥させた後、周波数カウンターで発振周波数を測定した。アセトン浸漬前と浸漬後の周波数変化から、アリルアルコールプラズマ重合膜とプロパルギルアルコールプラズマ重合膜の溶解性をそれぞれ百分率で算出した。結果を表３に示した。
なお、表中に示した膜の溶解率は、下記式で算出した値である。
Ｒ＝（Ａ−Ｂ）／Ａ×１００（％）
Ｒ：薄膜の溶解率（％）
Ａ：溶剤浸漬前の水晶振動子の発振周波数値
Ｂ：溶剤浸漬後の水晶振動子の発振周波数値
【００３０】
【表３】
2005077330.tif 000004
【００３１】
実施例２
（純水を溶剤とした際の薄膜の溶解性評価）
アリルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子と、プロパルギルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子の発振周波数を、溶解性試験前に周波数カウンターでそれぞれ測定した。水晶振動子毎秒６０回で振盪中の純水５ｍｌ中に、室温で１５時間、図４のように浸漬した。１５時間後、水晶振動子を溶液中から取り出し、９０分間乾燥させた後周波数カウンターで発振周波数を測定した。純水に浸漬前と浸漬後の周波数変化から、アリルアルコールプラズマ重合膜とプロパルギルアルコールプラズマ重合膜の溶解性をそれぞれ百分率で算出した。アリルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子の発振周波数（ヘルツ）の測定結果は表４に、プロパルギルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子の発振周波数測定結果は表５に、溶解性の評価結果を表６にそれぞれ示した。
【００３２】
【表４】
2005077330.tif 000005
【００３３】
【表５】
2005077330.tif 000006
【００３４】
【表６】
2005077330.tif 000007
【００３５】
実施例３
（ＰＢＳバッファを溶剤とした際の薄膜の溶解性評価）
アリルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子とプロパルギルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子の発振周波数を、溶解性試験前に周波数カウンターでそれぞれ測定した。水晶振動子毎秒６０回で振盪するＰＢＳバッファ（水に対して、塩化ナトリウム、リン酸水素二ナトリウム、塩化カリウム、リン酸二水素カリウムを、それぞれ、０．８、０．１１、０．０２、０．０２％溶解させた水溶液）（ｐＨ７．４）の５ｍｌ中に、室温で１５時間、図４の装置で浸漬した。１５時間後、水晶振動子を溶液中から取り出し、１ｍｌの純水による洗浄を４回行った後、９０分間乾燥させた後に、周波数カウンターで発振周波数を測定した。ＰＢＳバッファ浸漬前と浸漬後の周波数変化から、アリルアルコールプラズマ重合膜とプロパルギルアルコールプラズマ重合膜の溶解性をそれぞれ百分率で算出した。結果は表７にそれぞれ示した。
表７の薄膜の溶解性評価の結果より、アリルアルコールプラズマ重合膜では、放電出力１００Ｗで重合後に１００℃で真空アニール処理を８０時間行った薄膜と、放電出力２００Ｗで重合後に１００℃で真空アニール処理を８０時間行うと、ほとんど薄膜の溶剤への溶解が無い耐溶剤性に優れた薄膜が得られた。プロパルギルアルコールプラズマ重合膜では、放電出力１００Ｗで重合後に１００℃で真空アニール処理を８０時間行った薄膜と、放電出力２００Ｗで重合後に１００℃で真空アニール処理を８０時間行うと、それぞれでほとんど薄膜の溶剤への溶解が無い耐溶剤性に優れた薄膜が得られた。
【００３６】
実施例４
（ジクロロメタンを溶剤とした際の薄膜の溶解性評価）
アリルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子とプロパルギルアルコールプラズマ重合膜被覆水晶振動子の発振周波数を、溶解性試験前に周波数カウンターでそれぞれ測定した。水晶振動子は毎秒６０回で振盪中の純水５ｍｌ中に、室温で１５時間図４のように浸漬した。１５時間後、水晶振動子を溶液中から取り出し、９０分間乾燥させた後、周波数カウンターで発振周波数を測定した。純水に浸漬前と浸漬後の周波数変化から、アリルアルコールプラズマ重合膜とプロパルギルアルコールプラズマ重合膜の溶解性をそれぞれ百分率で算出した。結果は表７に示した。
【００３７】
【表７】
2005077330.tif 000008
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】アリルアルコールプラズマ重合膜の赤外吸収スペクトル。
【図２】プロパルギルアルコールプラズマ重合膜の赤外吸収スペクトル。
【図３】実施例１における薄膜被覆水晶振動子を液体に浸漬する際の実験装置の概略図。
【図４】実施例２〜４における薄膜被覆水晶振動子を液体に浸漬する際の実験装置の概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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