第 5 章 匂いクラスタリングシステムの 開発開発
5.1 匂いクラスタリングシステム： MIFA を搭載した匂い分 離測定装置
5.1.2 MIFA の導入：測定原理
様々なMIFAとPDMSはセンシングセルの各ヒータ表面に両面テープで固定されて いる．MIFAは特定の匂い物質を選択的に吸着するため，測定ガスを分離・濃縮するこ とができ，MIFAの吸着特性やtemplateの検出が行える．2章の研究結果からMIFAの 濃縮効果によりppbレベルの匂いの検知が可能と考えられる．また，匂い受容体のよう な分子認識能力を有する装置であるので，匂いクラスタリングマップの作成が可能にな る．図5.4に匂いクラスタリングシステムの吸着と脱着の仕組みを示す．MIFAにより分 類された匂いを，連結されたMOXガスセンサで検知している．
図5.4 匂いクラスタリングシステムでの 吸着と脱着の仕組み
はじめに，一定量のサンプルガスを注入す るとMIFAの特性に応じて選択的な吸着が起 こる(図5.4(a))．Templateと構造が近い匂い 物質はMIPフィルタを通過し，PDMSに濃 縮するはずである．吸着しなかった分子は，
MOXガスセンサで検知された後，センシン グセル外へと廃棄される．それから，吸着し なかったガスにより反応したガスセンサの応 答を無臭空気により定常状態まで回復させる．
次に，マイクロセラミックヒータに電流を流 し，加熱することでMIFAに吸着していた分 子を脱着させ，それを連結しているMOXガ スセンサで検知している(図5.4(b))．脱着し
た匂い物質のガスセンサ応答の大きさから，それぞれのMIFAへの吸着量を分析し，サ ンプルガスの組成を調べたり，クラスターへの分類を行っていく．
5.1.3 測定シークエンス
各マイクロセラミックヒータはクリーニングおよび脱着処理時に0.16Aの電流を流し，
MIFAを約90◦Cまで上昇させる．MIFAのフィルター材料であるPAAのガラス転移温度 は100◦C付近であり，MIPフィルタが壊れない温度に設定している．測定を開始すると，
フローガスである無臭空気が流路内に流入し始める．そして，クリーニング加熱が100 秒間行われ，150sまでMIFAの温度低下とセンサ応答の回復を待った後，電磁弁によっ て流路を切り替え，センシングセルにサンプルガスを60秒間注入する．それから，流路
を戻し，600sまでセンサ応答の回復を待った後，600sから200秒間，セラミックヒータ を加熱させ，吸着した匂い物質を脱着させる．最後に，900sから100秒間クリーニング 処理することで測定が終わる．
5.1.4 センサシステムによる匂いの検知
センサシステムで測定されるサンプルガスの生成方法は2章と同様である．そのた め，サンプルガスの濃度は表2.4と同じになる．また，装置に注入される3-octanoneの 濃度を光イオン検出器(Firstcheck+, Ion Science Ltd)を用いて測定した結果，約1ppmで あることが確認されている．本研究で作成される混合臭の濃度も同等であると考えてい る．図5.5にセンサシステムに3-octanoneを注入した時のMOXガスセンサの応答波形を 示す．この波形は何も処理していないPDMS (u-PDMS)とMIFA3−octanoneをヒータに取り 付けたセンシングセルから得られる応答波形である．MIFAの吸着特性に相当する抵抗 変化は脱着した匂いに対するセンサ応答であるため，u-PDMSとMIFAから脱着したガ スにより生じる抵抗変化によって，MIFAの特性を評価する．ここで，u-PDMSが取り付 けられたセンシングセルのMOXガスセンサの抵抗変化を参照応答としている．
図5.5 3-octanoneを測定した時のu-PDMSとMIFA3−octanoneに対応する応答波形
5.1.5 センサ応答を基にした人工匂いマップ
得られたセンサ応答を基に人工匂いマップの作成を目指す．3章と同じように，匂い マップは楕円と活性度を基に構成されていると仮定する．その際，活性度はセンサ応答 に依存することとする．そのため，各クラスターに相当する楕円形は変わらず，活性パ ターン fN(x,y)が以下のように表現される．
fN(x,y)= Imax×RN× 1
√2πσ2×exp [−Ψ] (N = A, B, …, I), (5.1)
RNはクラスターNの活性度定数，Imaxは匂いマップの最大活性度になる．匂いマップは 画像であるので，1ピクセルを8ビット表示してImax=255とする．RNはu-PDMSに対 するクラスターNに対応するMIFAへのガスセンサの抵抗変化を表す．それ以外のパラ
メータは3章と同様である．測定ガスがクラスターNに対応するMIFAに吸着した場合，
つまり，RNが大きくなる場合には，クラスターN領域の活性パターン fN(x,y)は強く活 性する．そうでないなら，弱く活性する．
5.2 実験結果
5.2.1 匂いクラスタリングシステムによる MIFA の吸着特性評価
MIFAは濃縮能力を有するので，低濃度の匂いを測定することができる．そのため，
CMSやGCCAMよりも大きいMOXガスセンサ応答値が得られる．また，MIFAと
u-PDMSの間のセンサ応答を比較するとMIPに含まれる認識サイトに吸着しやすい匂い物 質の検知が可能になる．
ここで，MIFAiから脱着したサンプルガス jによるMOXガスセンサの抵抗変化をセ ンサ応答定数R(MIFAi, j)とすると定義する．各セルに注入されるサンプルガス jの濃度 は一定であるため，センサ応答定数R(MIFAi, j)はu-PDMSに対応するセンサ応答定数 R(MIFA0, j)によって規格化することができる．これらのセンサ応答定数によって，MIFAi の吸着特性を評価する．
本研究では，u-PDMS，MIFApropanoic acid，MIFAheptanoic acid，MIFA2−hexanoneをヒータ表面 に固定している．MIFAの吸着特性は各MIFAのtemplateを測定することで評価できる．
図5.6に単独臭を測定して得られたMIFAの吸着特性を示す．図5.6の中で，templateと それ以外の分子に対するセンサ応答定数R(MIFAi, j)の区別を容易にするため，測定ガス
jがtemplate iと一致するときにはバーを立体表示で強調し，それ以外はフラットなバー
表示にしている．結果として，強調されたバーに対応するセンサ応答定数R(MIFAi,i)は 他のバーよりも大きくなっている．各MIFAはtemplateを選択的に吸着し，そうでない
匂い物質をブロックしていることがわかる．つまり，MIFAを搭載した匂いクラスタリ ングシステムは各templateに対する分子認識能力を持っていると言える．ここで，MIFA の吸着層であるPDMSは強い濃縮効果が期待でき，MIP層のフィルタリング効果によっ て分子はブロックされる．これらの結果は，4章で測定されたSPME/GC-MSの結果と一 致している．結論として，MIFAとMOXガスセンサを組み合わせることで，高感度かつ 特異的な選択性を有するセンサシステムを開発でき，低濃度の匂い物質の選択的な検知 と識別が可能になる．
図5.6 単独臭を測定して得られたセンサ応答定数を基にしたMIFAの吸着特性