JP2007024868A - 流体分析デバイス及び流体分析装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】流体分析デバイス1は、測定光L1の入射側から、半透過半反射性を有する第1の反射体10と、流体試料22が充填される測定光L1の波長より充分に小さい径の複数の微細孔21を有する透光性微細孔体20と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第2の反射体30とを順次備え、第1の反射体10及び/又は第2の反射体30から測定光L1とは異なる物理特性の出射光L2が出射されるものであり、第1の反射体10の平均複素屈折率と、第2の反射体30の平均複素屈折率と、透光性微細孔体20の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、この吸収特性によって変化する物理特性又は物理特性の変化を検出して流体試料22の分析を行うものである。
【選択図】図1
Description
前記測定光の入射側から、半透過半反射性を有する第1の反射体と、前記流体試料が充填される前記測定光の波長より充分に小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第2の反射体とを順次備え、前記第1の反射体及び/又は前記第2の反射体から前記出射光が出射されるものであり、
前記第1の反射体の平均複素屈折率と、前記第2の反射体の平均複素屈折率と、前記透光性微細孔体の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性によって変化する物理特性又は物理特性の変化を検出して前記流体試料の分析を行うものであることを特徴とするものである。
前記検出手段としては、前記出射光の光強度又は光強度の変化量、前記流体分析デバイスにより吸収される光の吸収波長又は吸収波長のシフトのうち少なくとも一つを検出するものが好ましい。
本発明の流体分析装置では、前記流体試料の屈折率及び/又は濃度を分析することができ、前記流体試料の屈折率を分析して前記流体試料を同定することもできる。
図1及び図2を参照して、本発明に係る第1実施形態の流体分析デバイス及びこれを備えた流体分析装置の構成について説明する。図1(a)は本実施形態の流体分析装置の全体図(流体分析デバイスについては厚み断面図(ハッチングは省略))、図1(b)は反射光スペクトルの例である。図2(a)〜(c)は本実施形態の流体分析デバイスの製造工程図(斜視図)である。
本発明者は、測定光L1が略垂直入射光の場合、多重干渉により吸収される光のピーク波長(吸収ピーク波長)λは、透光性微細孔体20の平均複素屈折率n2と厚みdとに大きく依存し、これらは概ね下記式の関係にあることを見出している。すなわち、本発明者は、多重干渉による吸収ピーク波長λは下記式で表される波長の付近に現れ、下記式で表される波長の付近で、第1の反射体10の平均複素屈折率n1−ik1と、第2の反射体30の平均複素屈折率n3−ik3と、透光性微細孔体20の平均複素屈折率n2及び厚みdとに応じて変わることを見出している。
n2d≒(m+1)/2×λ、
λ≒(m+1)×2n2d
式中、mは任意の整数(0,±1,±2,・・・・)である。
フィネスF=πR1/2/(1−R)
n2=a×np+b×nx
nx=no−(Δn2/b)
本実施形態の流体分析デバイス1は構造による波長選択性を有するので、デバイスの劣化(退色等)が起こりにくく、長期使用安定性にも優れる。
次に、図3に基づいて、本発明に係る第2実施形態の流体分析デバイスの構成について説明する。本実施形態は第1実施形態の流体分析デバイスと基本構造は同様であるので、同じ構成要素には同じ参照符号を付し、説明は省略する。図3は第1実施形態の図1(a)の流体分析デバイス1に対応した断面図である。
本実施形態では、第2の反射体30が完全反射体であるので、第1実施形態と異なり、第1の反射体10から出射光L2が出射される反射型デバイスのみが得られる。
本実施形態の流体分析デバイス3は構造による波長選択性を有するので、第1実施形態と同様、デバイスの劣化(退色等)が起こりにくく、長期使用安定性にも優れる。
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更できる。
微細孔21の配列パターンも任意である。複数の微細孔21が第1の反射体10の光入射面に平行な方向に一次元配列したものでも、二次元配列したものでもよい。上記実施形態は、複数の微細孔21が第1の反射体10の光入射面に平行な方向に二次元配列した例である。また、複数の微細孔21が第1の反射体10の光入射面に平行な方向に二次元配列し、さらにこの二次元配列が厚み方向にも繰り返される三次元配列構造であってもよい。微細孔21の配列はランダム配列でもよい。
<流体分析デバイスの製造>
下記手順にて、第2実施形態の流体分析デバイスを製造した。Alを主成分とする被陽極酸化金属体40の一部を陽極酸化して、厚みd=250nm、微細孔21の開口率(=微細孔21の合計開口面積/透光性微細孔体20の全面積)が1/2の透光性微細孔体(Al2O3)20を形成し、透光性微細孔体20と非陽極酸化部分(Al)からなる第2の反射体30とからなるナノ構造体(図2(b)参照)を得た。このナノ構造体の表面に金を蒸着して第1の反射体10を成膜し、反射型の流体分析デバイス3を製造した。
Auの複素屈折率:0.175−i3.10、
Al2O3の複素屈折率:1.767、
Alの複素屈折率:0.97−i6.00、
第1の反射体10の平均複素屈折率n1−ik1:0.725−i3.10、
透光性微細孔体20(空状態)の平均複素屈折率n2:1.256、
第2の反射体30の平均複素屈折率n3−ik3:0.97−i6.00。
複数の微細孔21に流体試料22を充填しない空状態(空気(屈折率n=1)が入った状態)について、分光計器製「ポリクロメータ−M25型」を用い、白色光(キセノン光源)を照射して反射光スペクトルを測定した(条件1)。反射強度は別途取得したアルミナの反射光スペクトルでもって規格化した。
複数の微細孔21に流体試料22を充填し、流体試料22の種類を変えて同様の評価を行った。充填する流体試料22としては、水(屈折率n=1.33、条件2)とエタノール(純度100%、屈折率n=1.36、条件3)を用いた。
各条件における透光性微細孔体20の平均複素屈折率n2は、以下の通りであった。条件1:1.256、条件2:1.476、条件3:1.496。
得られた反射光スペクトルを図4に示す。図4に示す如く、微細孔21に物質を充填しない空状態(空気が入った状態、条件1)、微細孔21に水を充填した状態(条件2)、微細孔21にエタノールを充填した状態(条件3)では、いずれも多重干渉による吸収ピークが見られ、条件によって異なる吸収ピーク波長を有する反射光スペクトルが得られた。吸収ピーク波長λは、条件1:730nm、条件2:804nm、条件3:810nmであった。
以上のことから、得られた流体分析デバイス3は、充填する流体試料22の種類によって異なる吸収特性を示し、吸収ピーク波長λ又はそのシフト等から、流体試料22の分析が可能であることが示された。
2 流体分析装置
10 第1の反射体
11 貫通孔
20 透光性微細孔体
21 微細孔
22 流体試料
30 第2の反射体
31 貫通孔
40 被陽極酸化金属体
41 金属酸化物体
42 非陽極酸化部分
50 測定光照射手段
60 検出手段
L1 測定光
L2 出射光
Claims (11)
- 流体試料の分析に用いられ、測定光が入射されると共に該測定光が前記流体試料の種類によって物理特性の異なる出射光となって出射される流体分析デバイスにおいて、
前記測定光の入射側から、半透過半反射性を有する第1の反射体と、前記流体試料が充填される前記測定光の波長より充分に小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第2の反射体とを順次備え、前記第1の反射体及び/又は前記第2の反射体から前記出射光が出射されるものであり、
前記第1の反射体の平均複素屈折率と、前記第2の反射体の平均複素屈折率と、前記透光性微細孔体の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性によって変化する物理特性又は物理特性の変化を検出して前記流体試料の分析を行うものであることを特徴とする流体分析デバイス。 - 前記透光性微細孔体は前記複数の微細孔が前記第1の反射体側の面において開口したものであり、前記第1の反射体は前記複数の微細孔に各々連通する複数の貫通孔を有し、該複数の貫通孔を介して前記複数の微細孔に対して前記流体試料が出入自在とされていることを特徴とする請求項1に記載の流体分析デバイス。
- 前記透光性微細孔体は前記複数の微細孔が前記第2の反射体側の面において開口したものであり、前記第2の反射体は前記複数の微細孔に各々連通する複数の貫通孔を有し、該複数の貫通孔を介して前記複数の微細孔に対して前記流体試料が出入自在とされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の流体分析デバイス。
- 前記複数の微細孔は、前記第1の反射体側から前記第2の反射体側に向けて延びる略ストレート孔であることを特徴とする請求項2又は3に記載の流体分析デバイス。
- 前記透光性微細孔体は被陽極酸化金属体の一部を陽極酸化して得られる金属酸化物体からなり、前記第2の反射体は前記被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分からなり、前記第1の反射体は前記透光性微細孔体に成膜された金属層からなることを特徴とする請求項2に記載の流体分析デバイス。
- 前記透光性微細孔体は、被陽極酸化金属体の全体を陽極酸化して得られる金属酸化物体、若しくは、被陽極酸化金属体の一部を陽極酸化し、さらに該被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分を除去して得られる金属酸化物体からなり、前記第1の反射体及び前記第2の反射体はいずれも前記透光性微細孔体に成膜された金属層からなることを特徴とする請求項2又は3に記載の流体分析デバイス。
- 前記透光性微細孔体は複数の前記流体試料が各々充填される複数の分析領域を有し、個々の該分析領域ごとに前記流体試料の分析が実施可能なものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の流体分析デバイス。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の流体分析デバイスと、
前記流体分析デバイスに前記測定光を照射する測定光照射手段と、
前記流体分析デバイスから出射される前記出射光に対して前記物理特性又は物理特性の変化を検出する検出手段とを備えたことを特徴とする流体分析装置。 - 前記検出手段は、前記出射光の光強度又は光強度の変化量、前記流体分析デバイスにより吸収される光の吸収波長又は吸収波長のシフトのうち少なくとも一つを検出するものであることを特徴とする請求項8に記載の流体分析装置。
- 前記流体試料の屈折率及び/又は濃度を分析するものであることを特徴とする請求項8又は9に記載の流体分析装置。
- 前記流体試料の屈折率を分析して、前記流体試料を同定するものであることを特徴とする請求項8又は9に記載の流体分析装置。
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