专利名称：一氧化氮检测元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于检测混合气体中所含有的微量的一氧化氮的一氧化氮检测元件及其制造方法。
背景技术：
一氧化氮(以下，也记为NO)自从发现其作为肌肉舒缓因子的主体而发挥作用以来，明确了其生理机能，研究了作为神经信息传递物质或感染症的标记的利用。特别是，呼出气体中的NO气体分析，作为近年来持续增加的哮喘或过敏引起的呼吸道炎症的标记而备受注目。利用该分析法，能够不对患者增加负担，进行非侵袭性的疾病诊断。已知呼出气体中的NO气体浓度，正常成年人为2ppb 20ppb，而在哮喘或过敏等呼吸道炎症时大约增大至3倍。另外，小孩的呼出气体中的NO气体浓度，低于正常成年人的NO气体浓度。因此，需要测定呼出气体中的微量的NO气体浓度。只要能够实现能够测定微量浓度的NO气体的小型且简易的测定器，就能够在患者的呼吸道炎症程度的判定和哮喘治疗药的给药量等哮喘的治疗方针的确定中利用。以往，呼出气体中的NO气体测定是通过在减压下使患者的呼出气体与臭氧反应，激发该呼出气体中所含的NO气体的一部分，检测其返回基态时发出的光而进行的。但是，该化学发光法中，存在需要臭氧发生装置等昂贵的周边装置、其维护管理困难的问题。为了使哮喘患者在医院或在家里测定每日呼出气体中的NO气体浓度，进行哮喘的自我管理，需要一种廉价、小型、气体选择性优异、能够迅速地测定的高灵敏度的NO气体测定器。近年来，报道了如下方法:在真空腔室内，使以溶胶-凝胶法制作的二氧化硅膜中所含有的四磺基噻吩基卟啉钴(以下记为Co{T(5-ST)P})与NO气体反应，使用紫外可见分光测定器检测与Co{T(5 -ST)P}配位结合的NO (例如，参照非专利文献I)。根据本方法，为了实现NO气体的选择性，在Co {T (S-ST) P}的存在下使硅酸乙酯以24小时缓慢水解，在玻璃基板上涂布所得到的溶液，使其干燥，形成含有Co IT(S-ST) P}的非晶二氧化硅膜。使用该膜作为NO传感器，成功地在传感器温度200°C检测出17ppm的NO气体。另外，报道了如下方法:在四苯基卟啉钴(5，10, 15，20-四苯基_21!1，23!1-卟吩钴，以下记为CoTPP)的氯仿溶液中浸溃多孔玻璃板之后，使其干燥，由此形成使CoTPP载持于多孔玻璃板得到的NO传感器(例如，参照非专利文献2)。根据该报道，将该传感器装入用油扩散泵抽真空得到的反应装置中，用红外分光测定装置或紫外可见分光测定器检测NO气体。报道有使用在溶胶-凝胶玻璃中封入细胞色素C得到的NO传感器光学地检测NO气体的方法(例如，参照专利文献I)。另一方面，报道有不针对NO气体、但在粘接剂层固定了含浸有对于需要检测的气体显色的试剂的二氧化硅溶胶颗粒的气体检测胶带(例如，参照专利文献2)。
现有技术文献专利文献专利文献1:日本特表2008-530527号公报专利文献2:日本特开2003-227800号公报非专利文献非专利文献1:Hiromichi ARAI 等，“Optical Detection of Nitrogen Monoxideby Metal PorphineDispersed Amorphous Silica Film”，日本化学会速报志，CHEMISTRYLETTERS, 1988 年，pp.521-524非专利文献2:宫本诚、花里善夫，《2 /O卜f卜9 7工二；7工>J X U'- /O卜寸 > >錯体(二杉It 6 NO吸着杉J: σ NO接触分解特性》(钴四苯基卟啉和钴Salen配位化合物中的NO吸附和NO催化裂化特性)，日本化学会志，1998年，Νο5, ρρ338_34
发明内容
发明所要解决的课题使用现有的利用由溶胶-凝胶法得到的非晶二氧化硅膜或利用多孔玻璃板和卟啉的传感器，能够高灵敏度地探测微量的NO气体。但是，存在如下课题:由于作为探测剂的口卜啉包含于非晶二氧化娃膜内部或载持于多孔玻璃板表面的微细的细孔内部，从而NO气体从上述探测剂吸附和脱附需要时间，检测十数PPb水平的极微量的NO气体时应答时间长，不能高速地检测。本发明是鉴于上述现状作出的，目的在于提供一种即使是混合气体中所含有的十数PPb水平的极微量的NO气体也能够高速地检测的一氧化氮检测元件及其制造方法。用于解决课题的方法本发明涉及一种一氧化氮检测元件，包括基体和形成于上述基体表面的探测膜，其中，上述探测膜包含一氧化氮检测颗�：透叻肿诱辰蛹粒鲜鲆谎趸觳饪帕Ｊ峭ü哂羞策羌懿⑶揖哂卸鄣念茏魑行慕鹗舻纳匚皆谖藁帕５谋砻娑纬傻�。根据本发明的一氧化氮检测元件，即使是数ppb 十数ppb的极微量的NO气体，也能够高速、高精度地检测。可认为这是由于以下的原因带来的。本发明中，在无机颗粒的表面吸附钴卟啉，其被高分子粘接剂固定于基体表面，由此，NO气体就容易接近钴卟啉。因此，不是NO气体的扩散，而是在颗粒表面的反应成为限速步骤，能够迅速地加快伴随作为卟啉中心金属的钴和NO气体的电荷移动的配位结合。另一方面，在现有的结构中，叶啉含有在非晶二氧化硅膜内部或者载持于多孔玻璃板表面的微细的细孔内部，因此，NO气体接近钴需要时间，可以认为NO气体的扩散成为限速步骤。另外，本发明还涉及一种一氧化氮检测装置，其包括:上述一氧化氮检测元件，气体导入部，使上述一氧化氮检测元件的上述探测膜的表面与具有含有一氧化氮可能性的测定气体接触，投光部，对上述探测膜照射光，和
受光部，接受从上述探测膜所反射的光或透过上述探测膜的光。另外，本发明还涉及一种一氧化氮检测方法，其包括:将上述一氧化氮检测元件初始化的第一工序；在第一工序之后，对上述一氧化氮检测元件的上述探测膜照射光并测定上述探测膜的光吸收率的第二工序；在第二工序之后，使上述探测膜与具有含有一氧化氮可能性的测定气体接触的第
三工序；在第三工序之后，对上述探测膜照射光并测定上述探测膜的光吸收率的第四工序；和通过比较第四工序中所得到的上述光吸收率与第二工序中所得到的上述光吸收率，确定上述测定气体中所含的一氧化氮浓度的第五工序。另外，本发明还涉及一种一氧化氮检测方法，其包括:将在第一溶剂中溶解高分子粘接剂形成的高分子粘接剂溶液涂布于基体表面的
工序；混合具有卟啉骨架并且具有二价的钴作为中心金属的色素、无机颗�：偷诙芷險，由此制作包含在上述无机颗粒的表面吸附有上述色素的一氧化氮检测颗�：蜕鲜龅诙芗恋闹票敢旱墓ば颍辉谏鲜龌灞砻嫠坎嫉纳鲜龈叻肿诱辰蛹寥芤褐刑砑由鲜鲋票敢旱墓ば颍缓褪股鲜龅谝蝗芗梁蜕鲜龅诙芗粮稍铮谏鲜龌迳闲纬珊猩鲜鲆谎趸觳饪帕：蜕鲜鑫欧肿诱辰蛹恋奶讲釯吴的工序。发明的效果通过本发明的一氧化氮检测元件，即使是数ppb 十数ppb的极微量的NO气体，也能够高速、高精度地检测。
图1是表示包括本发明的一氧化氮检测元件的一氧化氮检测装置的结构的示意图。图2是本发明的一氧化氮检测元件的剖面示意图。图3是表示构成探测膜11的材料的关系的放大示意图。图4是本发明的一氧化氮检测元件显示的紫外-可见光反射光谱。图5是表不将本发明的一氧化氮检测兀件暴露于Ippm-NO气体前后的光反射率的变化的曲线图。图6是表示将本发明的一氧化氮检测元件暴露于Ippm-NO气体测定得到的光吸收率与NO灵敏度和NO应答时间的关系的曲线图。图7是表示将本发明的一氧化氮检测元件暴露于Ippm-NO气体测定得到的每单位面积的钴原子数与NO灵敏度和NO应答时间的关系的曲线图。图8是表示将本发明的一氧化氮检测元件暴露于Ippm-NO气体测定得到的色素相对于无机颗粒的摩尔/重量比与NO灵敏度和NO应答时间的关系的曲线图。图9是表示将本发明的一氧化氮检测元件暴露于Ippm-NO气体测定得到的色素相对于非离子性表面活性剂的摩尔/重量比与NO灵敏度和NO应答时间的关系的曲线图。图10是表示将本发明的一氧化氮检测元件暴露于Ippm-NO气体测定得到的非离子表面活性剂相对于无机颗粒的重量比与NO灵敏度和NO应答时间的关系的曲线图。图11是表示本发明的一氧化氮检测元件的制造工序的流程图。图12是表示将本发明的一氧化氮检测元件暴露于Ippm-NO气体测定得到的传感器温度与NO灵敏度和NO应答时间的关系的曲线图。
具体实施例方式以下，基于各实施方式说明本发明的一氧化氮检测元件及其制造方法。图1是表示包括本发明的一氧化氮检测元件IOA的一氧化氮检测装置的结构的示意图。一氧化氮检测元件IOA包括透明塑料基板等的基体12和固定于基体12表面的探测膜11。探测膜包含吸附于色素表面的无机颗粒、高分子粘接剂，优选还包含非离子性表面活性剂。色素例如为以二价的钴作为中心金属的四甲氧基苯基卟啉钴CoTP(OCH3)4P (东京化成株式会社制)。作为无机颗粒，例如，能够使用东曹《SILICA (株)制的NIPGEL (商标)。无机颗粒优选使用拨水处理过的颗粒。高分子粘接剂例如为羟丙基纤维素(Sigma-Aldrich制，记为HPC)。非离子性表面活性剂例如为TritonX-1OO (商标，GE Healthcare UK Ltd制)。该一氧化氮检测元件IOA配置于测定室13内。可能含有一氧化氮(NO)的测定气体30，从气体导入口 14导入测定室13的内部，从气体排出口 15排出。该过程中，探测膜11的表面暴露于测定气体30。图1中所示的一氧化氮测定装置为光反射型。为了检测暴露于测定气体30前后的探测膜11的光学特性的变化，该光反射型一氧化氮测定装置中，与一氧化氮检测元件IOA对置安装有投光受光部18。投光受光部18经由光纤20与光源16连接，经由另外的光纤21与光检测部17连接。光源16发出的光(优选为包含光学波长400nm至450nm的光)从光受光部18对一氧化氮检测元件IOA的探测膜11垂直照射。在探测膜11的表面反射的光向投光受光部18入射，向光检测部17导入。光检测部17，例如，包括棱镜或光栅等的衍射光栅和(XD。另外，光检测部17也可以包括光学带通滤波器、硅光电二极管、光电流电压转换电路和放大电路(无图示)。检测光在上述任一种光检测部17的结构中都转换为与反射光量对应的光检测信号而被测量。在测定室13的内部设置有温度控制器24，由此能够进行测定室13内的温度控制。温度控制器24以加热器和温度检测用的电热偶等构成(无图示)。为了控制光源16、光检测部17和温度控制器24各自的动作，分别经由控制线22、23和25与测量控制器19连接。以上说明了使投光部和受光部为一体的方式，投光部和受光部也可以分开设置。另外，基体由透光的材料构成时，投光部和受光部能够在其间夹着一氧化氮检测元件IOA而对向设置。图2是一氧化氮检测元件IOA的剖面示意图。在该图中，探测膜11固定于基体12的表面。基体12的表面预先形成有图案，划分为探测膜部111和周边部112。探测膜11形成于探测膜部111上。
图3是表示构成图2的探测膜11的材料的关系的放大示意图。在该图中，在无机颗粒101的表面，载持有色素102，由此构成一氧化氮检测颗粒100。这里，色素102优选通过存在非离子性表面活性剂104而抑制聚集，进行分散，载持于无机颗粒101的表面。一氧化氮检测颗粒100彼此通过高分子粘接剂103相互结合形成一体，构成探测膜11。而且，探测膜11同样地利用高分子粘接剂103粘接并固定于基体12的表面。一氧化氮检测颗粒100的基体12每单位面积的重量优选为0.2mg/cm2 2.0mg/cm2。低于0.2mg/cm2时，光谱相对于微量的NO气体的变化减少，NO灵敏度不足。如果超过
2.0mg/cm2，则探测膜11的附着力减弱，在探测膜11中容易发生破裂(裂痕)。以下详细说明构成一氧化氮检测元件的材料。(色素)本发明中使用含有卟啉配位化合物的色素102。其中，叶啉配位化合物是指具有卟啉骨架、在该卟啉骨架的中心具有金属的配位化合物。上述卟啉骨架可以由各种取代基进行修饰。卟啉配位化合物的吸光光谱中，在光学波长400nm 450nm的区域(紫外光区域)具有Soret带(也称为B-带)吸收，并且在光学波长500nm以上的区域(可见光区域)具有Q带吸收。在选择卟啉配位化合物时，能够考虑摩尔吸光系数和NO灵敏度的关系。中心金属的氧化还原电位对卩卜啉配位化合物的中心金属和NO气体的结合产生影响。根据ThePorphyrin Volume III edited by David Dolphyin ACADEMIC PRESS INC.，ppl4_15，一般而言，Soret带的摩尔吸光系数为约IO5^1 mhT1), Q带的摩尔吸光系数为约IO3I1 KnT1X为了检测呼出气体中数ppb 数IOOppb的NO气体，发明者们考虑优选利用摩尔吸光系数大的Soret带时的吸光光谱的变化，进行了各种研究。摩尔吸光系数与NO灵敏度有关，即，具有与NO气体 浓度成比例增大的关系。因此，在卟啉配位化合物中，优选使用具有有对称性的分子结构的卟啉配位化合物。这是由于具有对称性高的分子结构的卟啉配位化合物能够提高Soret带时的吸收，而当对称性低时P卜啉配位化合物的Soret带时的吸收低。Q带时的吸收与Soret带时的吸收相比,难以影响P卜啉配位化合物的分子结构,但是摩尔吸光系数低至IO4 (M-1.cm—1)以下。为了提高卟啉配位化合物的NO灵敏度，可以考虑(I)选择卟啉配位化合物的中心金属，以及(2)改变卟啉骨架所具有的取代基向位于卟啉结构的中心部的大环状π共轭体系提供电子(供电子性)或吸引η共轭体系的电子(吸电子性)。(I)中心金属研究作为中心金属具有铁(Fe)、Mn (锰)、钴(Co)、Ni (镍)、Zn (锌)的卟啉配位化合物所显示的NO灵敏度，结果判明了将除钴以外的元素作为中心金属的卟啉配位化合物，与NO气体的反应性差，NO灵敏度低。另一方面，判明了将钴作为中心金属的卟啉配位化合物显示高的NO灵敏度。Co(II)TPP时，Soret带时的摩尔吸光系数为2.8 X IO5 (M-1.cnT1)，另一方面，Q带时的摩尔吸光系数为1.2X104 (M—^cnT1)。因此，本发明中利用作为中心金属具有二价的钴的卟啉配位化合物。具有各种金属的卟啉配位化合物所显示的与NO气体的反应性的差异，推测依赖于中心金属的氧化还原电位与NO气体的氧化还原电位之差。(2)取代基接着，选择中心金属为钴并且具有对称性高的分子结构的卟啉配位化合物，研究卟啉骨架中的取代基对NO灵敏度产生的效果。该研究中使用的钴卟啉配位化合物:CoTP(Xi)P的结构由以下的化学式表示。
权利要求
1.一种一氧化氮检测元件，包括基体和形成于所述基体表面的探测膜，所述一氧化氮检测元件的特征在于: 所述探测膜包含一氧化氮检测颗�：透叻肿诱辰蛹粒� 所述一氧化氮检测颗粒是通过将具有卟啉骨架并且具有二价的钴作为中心金属的色素吸附于无机颗粒的表面而形成的。
2.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述高分子粘接剂相对于所述无机颗粒的重量比为0.07g/g以上、0.20g/g以下。
3.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述色素相对于所述无机颗粒的摩尔重量比为1.0X 10_6摩尔/g以上、1.0X 10_5摩尔/g以下。
4.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述探测膜的每单位面积的钴原子数为IO15个/cm2以上、IO16个/cm2以下。
5.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述一氧化氮检测元件中，从光学波长400nm到450nm的最大光吸收率为10%以上、30%以下。
6.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述探测膜还包含非离子性表面活性剂。
7.如权利要求6所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述色素相对于所述非离子性表面活性剂的摩尔重量比为3.0X 10_6摩尔/g以上、3.0X10—4摩尔/g以下。
8.如权利要求6所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述非离子性表面活性剂相对于所述无机颗粒的重量比为0.05g/g以上、lg/g以下。
9.如权利要求6所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述非离子性表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB值)为13以上、15以下。
10.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述无机颗粒为二氧化硅或α -氧化铝，或者两种颗粒的混合物。
11.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述无机颗粒为拨水处理过的无机颗粒。
12.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述无机颗粒的粒径为6 12 μ m。
13.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述探测膜的每单位面积的所述一氧化氮检测颗粒的重量为0.2mg/cm2 2.0mg/cm2。
14.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述色素在具有二价的钴的基础上还具有三价的钴作为中心金属。
15.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述色素为四苯基卟啉钴或四甲氧基苯基卟啉钴，或者两种化合物的混合物。
16.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述色素为四羟基苯基卟啉钴。
17.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于:所述高分子粘接剂的玻璃化转变温度为_150°C 150°C。
18.如权利要求1所述的一氧化氮检测元件，其特征在于: 所述基体为塑料基板、陶瓷基板、金属基板、纸、织造布或者无纺布。
19.一种一氧化氮检测装置，其特征在于，包括: 权利要求1所述的一氧化氮检测元件； 气体导入部，使所述一氧化氮检测元件的所述探测膜表面与具有含有一氧化氮可能性的测定气体接触； 投光部，对所述探测膜照射光；和 受光部，接受从所述探测膜所反射的光或透过所述探测膜的光。
20.一种一氧化氮检测方法，其特征 在于，包括: 将权利要求1所述的一氧化氮检测元件初始化的第一工序； 在第一工序之后，对所述一氧化氮检测元件的所述探测膜照射光并测定所述探测膜的光吸收率的第二工序； 在第二工序之后，使所述探测膜与具有含有一氧化氮可能性的测定气体接触的第三工序; 在第三工序之后，对所述探测膜照射光并测定所述探测膜的光吸收率的第四工序；和通过比较第四工序中所得到的所述光吸收率与第二工序中所得到的所述光吸收率，确定所述测定气体中所含的一氧化氮浓度的第五工序。
21.一种一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于，包括: 将在第一溶剂中溶解高分子粘接剂形成的高分子粘接剂溶液涂布于基体表面的工序; 混合具有卟啉骨架并且具有二价的钴作为中心金属的色素、无机颗�：偷诙芗粒纱酥谱靼谒鑫藁帕５谋砻嫖接兴錾氐囊谎趸觳饪帕：退龅诙芗恋闹票敢旱墓ば颍� 在所述基体表面所涂布的所述高分子粘接剂溶液中添加所述制备液的工序；和使所述第一溶剂和所述第二溶剂干燥，在所述基体上形成含有所述一氧化氮检测颗�：退鑫欧肿诱辰蛹恋奶讲釯吴的工序。
22.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述高分子粘接剂相对于所述无机颗粒的重量比为0.07g/g以上、0.20g/g以下。
23.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述色素相对于所述无机颗粒的摩尔重量比为1.0X10_6摩尔/g以上、1.0X10_5摩尔/g以下。
24.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述探测膜的每单位面积的钴原子数为IO15个/cm2以上、IO16个/cm2以下。
25.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:在制作所述制备液的工序中，进一步混合非离子性表面活性剂。
26.如权利要求25所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述色素相对于所述非离子性表面活性剂的摩尔重量比为3.0X 10_6摩尔/g以上、3.0X 10_4摩尔/g以下。
27.如权利要求25所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述非离子性表面活性剂相对于所述无机颗粒的重量比为0.05g/g以上、lg/g以下。
28.如权利要求25所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述非离子性表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB值)为13以上、15以下。
29.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述无机颗粒为二氧化硅或α -氧化铝，或者两种颗粒的混合物。
30.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述无机颗粒为拨水处理过的无机颗粒。
31.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述无机颗粒的粒径为6 12 μ m。
32.如权利要求 21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述色素在具有二价的钴的基础上还具有三价的钴作为中心金属。
33.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述色素为四苯基卟啉钴或四甲氧基苯基卟啉钴，或者两种化合物的混合物。
34.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述第二溶剂为氯仿或二氯甲烷。
35.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述色素为四轻基苯基B卜琳钻。
36.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述第二溶剂为选自甲醇、乙醇和异丙醇中的至少一种。
37.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述高分子粘接剂的玻璃化转变温度为_150°C 150°C。
38.如权利要求21所述的一氧化氮检测元件的制造方法，其特征在于:所述第一溶剂为选自甲醇、乙醇和异丙醇中的至少一种。
全文摘要
本发明在于提供一种能够高速地检测混合气体中所含有的十数ppb水平的极微量的NO气体的一氧化氮检测元件及其制造方法。在包括基体(12)和形成于上述基体的表面的探测膜(11)的一氧化氮检测元件中，上述探测膜包含一氧化氮检测颗�：透叻肿诱辰蛹粒鲜鲆谎趸觳饪帕Ｊ峭ü哂羞策羌懿⑶揖哂卸鄣念茏魑行慕鹗舻纳匚接谖藁帕５谋砻娑纬傻�。
文档编号G01N21/77GK103154724SQ20118003751
公开日2013年6月12日 申请日期2011年7月12日 优先权日2010年8月3日
发明者平中弘一, 永松丰史, 定冈芳彦, 板垣吉晃 申请人:松下健康医疗器械株式会社, 国立大学法人爱媛大学
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