化学センサーアレイ

化学センサーアレイは、複数のセンサーコンポーネントを備えたセンサーアーキテクチャであり、個々のセンサーコンポーネントの付加的な応答から分析対象物を検出するためのパターンを作成します。電子、光学、音波、電位差測定デバイスなど、いくつかの種類の化学センサーアレイが存在します。これらの化学センサーアレイは、交差反応性または特定の分析対象物を感知するように調整された複数のセンサータイプを使用できます。^{[1] [2] [3] [4]}

センサーアレイコンポーネントは個々のセンサーであり、個々の感知特性（検出方法、特定のクラスの分析対象物に対する特異性、分子相互作用など）に基づいて選択されます。センサーコンポーネントは、可能な限り多くの分析対象物に反応するように選択されます。したがって、個々のセンサーコンポーネントの感度と選択性は異なりますが、アレイアーキテクチャに組み込むと、センサーは特定の分析対象物に対して非選択的な指紋を作成することで付加的な効果を発揮します。^[1] 指紋の認識により、混合物中の分析対象物の検出が可能になります。^{[1] [2]}化学センサーアレイは、混合物中の分析対象物を標的として検出するために複数の特定のセンサー材料を使用する尿検査スティックアッセイなどの他のマルチ分析対象物テストとは異なります。 ^[1]代わりに、化学センサーアレイは、個々のセンサーコンポーネントの交差反応性を利用して、ターゲット分析対象物に対するセンサーコンポーネントの付加的な応答に基づいて指紋を生成します。^{[1] [2] [5] [3]}

単一センサーデバイスは、物理的、光学的、電子的特性に基づいて標的分析物を感知する。一部のセンサーには特定の分子標的が含まれており、特定の分析物との強力で特異的な結合を可能にする。しかし、このアプローチは特異的である一方、複雑な混合物はセンサーの性能に影響を与える。これらの複雑な混合物のいくつかには、肺から吐き出される臭気や蒸気が含まれる。^[1]個々の化学センサーは制御された感知環境を利用することが多く、周囲条件（温度や湿度など）の変化がセンサーの性能に影響を与える可能性がある。 ^{[2] [5]化学センサーアレイは、交差反応性センサーコンポーネントの組み合わせ応答の}パターン認識を利用して、さまざまな条件下で多様な混合物の感知を可能にする。^{[1] [2] [5] [3]化学センサーアレイは、}聴覚、味覚、嗅覚、体性感覚、視覚の5つの感覚を模倣しているとよく言われる。これは、特定の分析物の異なるアレイコンポーネントに対する組み合わせ応答が、標的分子相互作用とパターン認識の両方を使用して特定の分析物または混合物の指紋を作成するためである。^{[3] [4]}

化学センサーアレイの歴史は、他の化学センサー技術の発展と密接に関連しており、電子化学センサーの分野の研究は、酸素などの分析を感知できる金属酸化物半導体センサーの実証とともに、1960年代に始まりました。^{[6]人間は、わずか400個の}嗅覚受容体しか持っていませんが、推定10,000種類以上の匂いを識別し、区別することができます。^[3]嗅覚受容体の個々のアレイコンポーネント応答を脳で信号処理することで、特定の匂いを識別するためのパターン認識が行われます。^[3]多くの化学センサーアレイの設計目的の1つは、嗅覚のパフォーマンスを模倣して、さまざまな材料と統合された電子鼻を設計することです。^[7]化学センサーアレイをパターン認識方法と組み合わせると、生物学的感覚認識方法を模倣できます。^[8]図1を参照してください。市販の電子鼻システムが存在し、食品業界で品質管理に使用されています。現在の研究努力は、電子鼻の原理を、商用機器としてだけでなく、消費者向けウェアラブル電子デバイスとしても環境モニタリングと医療に導入することを実証しています。^[9]化学センサーアレイの中心にあるのは、異なる分析対象物はさまざまな材料と異なる方法で相互作用するという原理です。したがって、異なる分析対象物または混合物に対して異なる反応を示す限り、あらゆる種類の材料をセンサーアレイに使用できます。このアイデアから、混合物の成分としての化合物との幅広い互換性のために、交差反応性センサーアレイは化学センサーアレイ開発の焦点となっています。^[1]

アレイセンサーから来る信号は、処理され、既知のパターンと比較される必要がある。アレイデータの処理には、主成分分析（PCA）、最小二乗分析、さらに最近ではニューラルネットワークのトレーニングや機械学習を利用したパターン開発と識別など、多くの手法が有用である。^{[1] [4]}機械学習は、化学センサーアレイデータのパターン生成と認識のための最近の開発である。^{[10] [11] [12]}選択されるデータ分析方法は、センシングパラメータ、情報の望ましい用途（定量的または定性的）、および検出方法など、さまざまな要因によって決まり、検出方法は、電子、光学、音波、および電気化学センサーアレイの4つ​​の主要な化学センサーアレイの種類に分類できる。^{[1] [2] [5]}

最初のタイプの化学センサーアレイは、信号取得のために電子信号の変調に依存しています。このタイプの化学センサーアレイでは、多くの場合、金属酸化物半導体、導電性ポリマー、ナノ材料、または金属有機フレームワークや共有結合有機フレームワークなどのフレームワーク材料などの半導体材料が使用されます。^[1]電子化学センサーの最も単純なデバイスアーキテクチャの1つは化学抵抗器であり、他のアーキテクチャにはコンデンサとトランジスタが含まれます。これらの材料は、ターゲット分子の物理吸着または化学吸着によって変更できる抵抗を持ち、電流、静電容量、または電圧の変化として測定可能な信号を生成します。^[1]

金属酸化物半導体は、1960年代に有機蒸気の単一分析対象物検出用の化学抵抗センサーとして初めて報告されました。^{[1]最初に市販された化学抵抗センサーは、}一酸化炭素の検出に金属酸化物半導体を使用しました。^{[1] [12]}一酸化炭素検出器での使用で最もよく知られていますが、金属酸化物半導体は、その組成を戦略的に調整することで他の分析対象物を感知することができます。^[12]これらのセンサーを動作させるために必要な高い動作温度は、これらの半導体を非効率にし、特に水との交差反応を引き起こします。^{[1] [5]}

1990年代に、ウォーリック大学の数人の研究者が、アセトン、エタノール、メタノール、キシレンなどの有機蒸気を複数の分析対象混合物から検知して識別するためのパターン認識ソフトウェアを統合した最初の交差反応性（非選択性）金属酸化物半導体センサーアレイを作成しました。^{[1] [12]}この電子鼻システムはワーウィック・ノーズとして知られ、市販のスズ酸化物半導体とシリコン酸化物半導体をガス検知用のアレイ形式に組み合わせました（図2を参照） 。^{[13]現在、}微細加工技術を使用して金属酸化物半導体アレイの形式を進化させ、より小さなアレイ設計と各アレイコンポーネントへの信号処理コンポーネントの統合を可能にしています。 これらのマイクロデバイスは、異なる数のデバイスを含むアレイを使用して検出限界を下げ、揮発性有機化合物と一酸化炭素を区別する能力を高めることで有望であることが示されており、これらのシステムでは金属酸化物の薄膜でセンサー材料の量も削減しています。^[14]センサーの感度は、各デバイス内の金属の比率を変えたり、最小二乗解析を利用したデータ処理によっても影響を受けることが示されています。^[12]

金属酸化物半導体の別の例としては、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）のアレイがあります。これは、ゲートに隣接するnドープチャネルを備えたp型シリコンベースの二酸化シリコン層の上に触媒活性ゲート金属（パラジウムなど）で構成されており、水素、アンモニア、エタノールの検知に使用されています。 ^[1]これらのMOSFETは、吸着した分析物によって半導体ゲートの仕事関数を調整し、デバイス全体の電圧を変化させます。^[1] MOSFETは高度に調整可能ですが、交差反応性と高い動作温度によって制限されています。^[2]

本質的に導電性のある興味深いポリマーには、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリンなどがあり、その他のポリマーも化学ドーピングなどのプロセスによって導電性にすることができます。^{[1] [2]}導電性ポリマーの電子センシング機構の基礎となる化学原理は、分析対象物との相互作用（主に吸収による）によって生じる物理的構造の変化（膨潤）に応じてこれらのポリマーの導電性が調整されることです。^[1]センサーアレイに導電性ポリマーを使用する利点は、膨大なポリマーライブラリを合成して利用できることです。その結果、導電性ポリマーは金属酸化物半導体の有望な代替品となります。異なる機能を持つより多くのセンサーを使用して、特定の用途に合わせたより堅牢なアレイを設計できるためです。モノマーの種類、重合条件、デバイスの製造方法は、導電性ポリマーの形態特性と化学的特性の両方に影響し、設計可能なアレイコンポーネントの多様性にも貢献します。^{[1] [2] [8]}導電性ポリマーアレイの限界は、ポリマー材料を介した信号伝達経路が十分に理解されておらず、ポリマーへの吸着が最小限であるため非極性種の検知が困難であるという点で、単一センサー類似体の限界と同様である。 ^[1]いくつかの市販のシステムが利用可能であり、食品分析や揮発性有機化合物の検知に使用されているが、導電性ポリマーを利用した化学抵抗性センサーアレイの進歩は、他の材料や検知方法が開発されるにつれて減少している。^[1]

グラフェン、カーボンナノチューブ、2Dおよび3Dフレームワーク材料などの新しいナノ材料の開発は、電子化学センサーアレイへの応用のための新しいクラスの材料として報告されている。グラフェンとカーボンナノチューブの場合、共有結合または非共有結合による表面機能化、およびエッジサイト欠陥がホスト-ゲスト相互作用のサイトとして利用される。その一例は、揮発性有機化合物の識別を可能にするためにさまざまな金属ポルフィリンで修飾された単層カーボンナノチューブである。^{[15] [16]}

導電性フレームワーク材料は、同様のセンシングメカニズムを持っていますが、これらの材料は、特定の分子相互作用に合わせて調整された活性部位が組み込まれた状態で設計される場合があります。^[17]二金属メタロフタロシアニン金属有機フレームワーク（MOF）と共有結合性有機フレームワーク（COF）は、硫化水素、アンモニア、一酸化窒素を感知する単一デバイスの化学抵抗器として有望であることが示されています。^{[18] [19]}これらの材料を化学抵抗器として開発することで、標的分子相互作用が可能なアレイの戦略的設計が可能になり、特定の化合物を感知するように調整されたアレイコンポーネントの開発に使用できます。いくつかのMOFの計算研究では、さまざまな混合物中の特定の成分を感知するのに最適なMOFの組み合わせを最適化することにも焦点が当てられています。^[20]フレームワークアレイコンポーネントのキュレーションに焦点を当てることで、実験的および計算的に堅牢なセンサーアレイを設計する機会が実証されました。^{[21] [22]}

電子化学センサーアレイに適した異なるクラスの材料の特定の制限を克服するために、異なる材料で製造されたセンサーを1つのアレイに組み合わせる努力がなされてきました。^[1]これらの一例として、MOFの薄膜でコーティングされた金属酸化物ナノワイヤが挙げられます。これは、個々の材料で作られたセンサーよりも優れた感知性能を持つことが報告されています。^[23] カーボンブラックとポリマーのブレンドは、分析対象物の識別とアレイ要素の信号が向上し、さまざまなクラス間だけでなく、同じクラス内でも揮発性有機化合物の検出が向上します。^{[24] [25]}

分子インプリントポリマーはアレイフォーマットにも統合されており、インプリントプロセスにより分子インプリントポリマーアレイを特定の分析物に合わせて調整できるため、有用性が示されています。^[26]

電子化学センサーアレイとは別に、光化学センサーアレイがあり、これはターゲット分析物とセンシング材料との間の化学相互作用を光（紫外線、可視光線、赤外線）で調べます。一般に、光センサーは、吸光度、回折、蛍光、屈折、散乱など、さまざまな定量化可能な方法を通じて、光との化学相互作用を調べます。^{[3] [4]}一般に、蛍光センサーは他の光学的方法よりも高い感度を示します。^[3]光センサーは、光源、波長フィルター、サンプル、検出器で構成され、使用する方法に基づいてセンサーの設計が異なります。^[3]電子鼻と同様に、光化学センサーアレイは光電子鼻という包括的なトピックに分類されており、同様に特定の化合物の指紋を開発し、パターン認識を使用して混合物中のそれらの成分を識別することによって機能します。図 2 は、比色センサーアレイと蛍光センサーアレイの基礎となる原理を示しています。

光学センサーは、分析物との選択的な相互作用を必要とし、プローブ材料と発色団または蛍光団の2つの要素が必要である。^{[3] [4]}交差反応性の光学アレイおよび蛍光アレイでは、プローブと分析物との間の分子相互作用を戦略的に考慮する必要がある。電気化学センサーアレイと同様に、光学化学センサーアレイは、水などの競合する分析物が存在する場合の検知において課題に直面している。^{[1] [2] [3]}ホスト-ゲスト相互作用を考慮すると、アレイはさまざまな分子特性をプローブすることができる。これは、光学活性ポリマーなどの「無差別センサー」（非選択的）を統合することで、主に疎水性に基づいてさまざまな化合物を非差別的に検知できるようになり、特定の分析物に排他的に結合するいわゆる「一夫一婦制」センサー（鍵と鍵穴の設計によく似ている）によって、比色センサーアレイの特異性と適用性が向上するためである。センシングプローブの種類に関係なく、物質に測定可能な色の変化をもたらす分子間相互作用には5つの主要な種類があります。 ^[3]

pH指示薬として一般的に使用される染料のようなブレンステッド・ローリー酸塩基相互作用は、比色測定の最も初期の方法の1つです。20世紀初頭以来、7-ヒドロキシオヘノキサゾン（リトマス）やアントシアニンオキソニウム染料などの天然染料は、pH指示薬と比色センサーの両方として使用されてきました。^[4]アゾ染料、ニトロフェノール、フタレイン、スルホンフタレイン など、ブレンステッド・ローリー酸塩基機能を備えた他の多くの発色団が開発されています。 ^[4] これらの発色団のブレンステッド・ローリー酸塩基機能は、その構造内の特定の化学部分とそれに対応するpKaに関連しています。プロトン化/脱プロトン化イベントによって生じる色の変化は、特定の強度および/または濃度の酸または塩基との分子間相互作用として広く定義できます。^{[3] [4]}

ブレンステッド・ローリーの酸塩基相互作用は幅広い化合物に敏感ですが、ルイス酸とルイス塩基の相互作用は、比色化学センサーアレイに関連する分子間相互作用の中で最も敏感なものの1つです。^[3]化学センシングにおけるルイス酸とルイス塩基の相互作用の選択性は、最も刺激の強い臭いがルイス塩基（チオール、ホスフィン、アミン）から発生し、生物学におけるすべての分子モチーフの中で最も低い濃度でそれらを感知するために使用される金属カチオン含有嗅覚受容体がルイス酸受容体を使用するという事実によって強調されています。 ^{[3]ルイス酸性染料（つまり、}オープン配位部位を持つ金属カチオン）は、生物学的嗅覚の感知に使用されます。^[4]そのため、メタロポルフィリンなどのルイス酸は、その強いルイス酸塩基相互作用のために、比色センサーを開発する研究者にとって特に興味深いものです。^[4]

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他にもさまざまな可逆的な分子相互作用が、分析対象物との相互作用によって色の変化を生じることがわかっています。これらには、異なる印加電位で特定の色の変化を起こす酸化還元活性色素および蛍光体が含まれます。 ^{[3] [4]また、}メロシアニンやアゾベンゼンなど、環境の極性に基づいて色の変化を示すさまざまな染料も存在します。 ^[3]これらのシステムでは、分子間相互作用による電子密度の「プッシュプル」メカニズムにより、基底状態と励起状態の間の双極子モーメントが増加し、光学遷移の観察可能な変化として現れます。^[4]ナノ材料の開発により、特定の染料（特に酸化還元活性染料）の表面改質が可能になり、表面積と体積の比が大きくなって分析対象物と染料の相互作用の活性部位が増えるため、高感度が得られます。^[28]

電子化学センサーアレイに使用される材料とは異なり、センサー材料と分析対象物との直接的な相互作用が伝導率または電圧の変化として信号変換につながりますが、比色センサーアレイの製造では、分析対象物と基質の相互作用と光信号の変換の両方を考慮する必要があります。^[29]比色センサーアレイの製造方法の1つは、染料を不活性で透明なマトリックスに懸濁させてマイクロスフィアを準備することです。これらのマイクロスフィアは、次に光ファイバーに組み込まれます。^[3]比色センサーアレイを製造する他の方法としては、アレイの蛍光染料と比色染料（直接またはナノ多孔質マトリックス内）を紙、シリカゲル、または多孔質ポリマー膜などのさまざまな基質に印刷する方法があります。^[3]

光学化学センサーアレイ要素のデジタル画像化および/または照明の組み込みにより、マイクロスフィアまたはメッキセンサーからの比色データと蛍光データをリアルタイムで測定し、比色データの迅速なリアルタイム信号変換が可能になります。^{[3] [28]}検出器は特定の波長の光を処理するか、RGB画像処理プログラムを使用してセンサーアレイの直接画像化から取得したデータを分析できます。^[3]電子化学センサーアレイと同様に、光学化学センサーアレイは微細加工技術を使用して小型化され、適用性が向上しています。最近の光学化学センサーアレイの進歩により、センサーアレイはフラットベッドスキャナーやスマートフォンなどのモバイル電子機器に直接統合されています（マイクロプレート製造による）。 ^[3]これらのマイクロプレートアレイは、さまざまな相の複雑な混合物の比色分析を可能にし、交差反応性ナノ多孔性顔料を使用した有毒な工業化学物質の同定、^[30] 金ナノ粒子-緑色蛍光タンパク質アレイを使用した癌診断、^[31]金属-染料複合体自体をセンサーとして使用するコンビナトリアルライブラリの開発と評価に応用されています。^[32]

あまり一般的ではありませんが、化学センサー アレイとしての機能が実証されているデバイスには、他に 2 つの分類があります。これらには、波動デバイスと電気化学センサーが含まれます。

波動デバイスには、音波デバイス、厚みすべりモード共振器 (TSM)、水晶振動子マイクロバランスなど、いくつかの主要な種類があります。これらのデバイスは既知の周波数で振動し、その振動周波数はデバイスの質量の変化によって変調されます。これらのデバイスは、化学センサーアレイで有用な材料としてすでに説明した複数の材料で変更することができます。^[1]これらの材料はすべて、分子間相互作用の幅広い互換性と、さまざまな化合物に対する選択的相互作用を特徴としており、これらを組み合わせると、混合物中の化合物の指紋検出が可能になります。^[1]

高分子フィルムでコーティングされた微細加工された金属酸化物カンチレバーなどの材料で波動デバイスを改良すると、揮発性有機化合物の混合物や水素ガス、水銀蒸気の検出を強化できます。^{[33] [34]}バルク波および表面弾性波デバイスは、感知材料が電気や光などの信号変換の複数のモードを生み出す高次センサーで使用されています。さらに、同じ波動デバイスは、1つのセンサーコンポーネントからのデータをさらに処理する仮想化学センサーアレイの作成にも使用されています。^[35]銅フタロシアニン、単層および多層カーボンナノチューブなどのさまざまな材料で表面修飾された水晶振動子マイクロバランスの化学センサーアレイは、データ処理に機械学習アルゴリズムを使用した場合、ガス感知のための有望な電子鼻であることが示されました。^[36]

化学センサーアレイに使用できる別のクラスのデバイスは電極です。一般的に、電気化学ベースのセンサーは電子舌と呼ばれています。^[37]多電極システムにおける電極の表面改質により、特定の分子相互作用を標的とすることができます。 ^[37] 半透膜材料は、標的分析物を選択的に酸化または還元する能力を通じて、電極をセンサーにすることができます。^{[1]一例として、}ポリ塩化ビニルなどの電位差測定ポリマーから作られた半透膜センサーのアレイの使用は、水溶液中の硝酸塩、亜硝酸塩、およびアンモニウムの濃度を監視できることが実証されています。 ^{[38]ボルタンメトリー法と電位差測定法の両方が開発されており、この技術は}脳脊髄液などの水溶液の多分析物分析だけでなく、電気化学反応における酸化還元生成物の差別化のための研究が活発に行われている分野です。^{[26] [37]}

さまざまな用途の化学センサーアレイの開発に焦点を当てた、十分に理解されている研究や新たな研究が数多く存在します。化学センサーアレイを統合した分析装置は、呼気の指紋分析に基づく癌や細菌感染症の診断テスト^[39]や、食品や製品の品質管理^[40]として提案されています。いくつかの例を以下に示します。

• COVID-19感染を検出できるさまざまな有機リガンドと結合した金ナノ粒子で作られた化学センサーアレイデバイスの臨床試験。^[41]
• WOLF eNoseは、揮発性有機化合物の検出に電子センサーと比色センサーの両方を使用した市販の化学センサーアレイシステムであり、尿路感染症を引き起こす細菌の検出に使用されています。^{[42] [43]}
• シラノーズ320電子鼻^{[44]は、32個の}ブラックカーボンポリマーセンサーで作られた市販の化学センサーアレイで、眼感染症を引き起こす6種類の細菌を96%の精度で識別することができます（図4を参照） 。^[45]