JP2008008893A - ｐＨ測定素子及びそれを用いたｐＨセンサー - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が容易で、扱いやすく、長寿命で、メンテナンス・フリーな蛍光型ｐH測定素子及びそれを用いたｐHセンサーを提供する。
【解決手段】本発明の一態様は、伝導帯の下端と価電子帯の上端の間に水の酸化還元電位が位置する半導体微粒子が、基板上に固定されていることを特徴とする蛍光性ｐH測定素子を提供する。本発明のより具体的な一態様においては、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳ／ＺｎＳ又はＧａＰ／ＩｎＰのコア／シェル構造の微粒子が、基板上に固定されていることを特徴とする蛍光性ｐＨ測定素子が提供される。また、本発明は、かかるｐＨ測定素子を用いたｐＨセンサーも提供する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ｐＨの変化に応じて蛍光強度を変化させる半導体ナノ微粒子を用いるｐＨ測定素子に関する。更に本発明は、かかる半導体ナノ微粒子を用いるｐＨセンサーにも関する。

ｐＨを測定するための方法としては、水素電極法やキンヒドロン電極法等の金属電極法やガラス電極法などがあり、標準法として確立されている。しかしながら、金属電極法は、電極の取り扱いが不便であったり、酸化性・還元性のある物質には使用できないため、現在では殆ど使用されていない。また、ガラス電極法は、現在広く用いられているが、定期的にガラス電極内部液を補充する必要があり、また装置の小型化が難しく、破損し易いという欠点がある。

一方、１９８０年代後半から、プロトン感受性の蛍光色素を利用したｐＨセンサーの開発が進められてきた。この方法の基本原理は、有機蛍光色素分子が周囲のｐＨ値に応じてプロトン型あるいは脱プロトン型に変化することにより蛍光強度が変化するという蛍光消光現象を利用し、この蛍光色素を被検液に接触させた際の蛍光強度を測定するというものである。

例えば特許文献１では、フルオレセインを細孔を有するガラス粒子等の担体粒子に共有結合させ、これを光ファイバーの先端に取り付けることによってｐＨセンサーを形成することが開示されている。また特許文献２では、塩化スルフォニル型のｐＨ指示薬をポリマーに共有結合させ、さらにこのポリマーを光ファイバー先端に共有結合させてｐＨ検知マトリックスを生成する方法が開示されている。しかしながら、これらの従来技術のように一種類のｐＨ指示薬のみを用いる方法では測定できるｐＨの範囲は限られており、その用途は限定されてしまう。かかる問題点を解決する手段として、特許文献３においては、異なるｐＨ域に感度を有する二種類の蛍光色素分子を用いてより広範なｐＨ域において測定可能なｐＨセンサーが開示されている。

上記のような蛍光型のｐＨセンサーにおいて、現在までに提案されている蛍光色素は有機分子のみである。しかしながら、有機分子は励起光照射によって変性を起こすため、これによる退色等の劣化が避けられない。更に、有機分子蛍光色素においては、蛍光スペクトルのピーク波長がｐＨによって変化してしまうという問題がしばしば起こる。
特開昭６２−２６３４４８号公報 特開平５−１０８８７号公報 特開２００１−３０５０６０号公報

本発明は、上記問題点を解決し、小型化が容易で、扱いやすく、長寿命で、メンテナンス・フリーな蛍光型ｐＨ測定素子及びそれを用いたｐＨセンサーを提供することを目的とする。

励起光を照射することによって蛍光を発する半導体ナノ微粒子が知られている。現在、このような性質が知られている半導体ナノ微粒子としては、例えば、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳなどのIIb族−VIb族化合物半導体のナノ微粒子、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＰなどのIIIb族−Vb族化合物半導体のナノ微粒子などがある。これらの蛍光性物質は、ナノ微粒子状蛍光色素として、例えばタンパク質の標識化や記憶素子などの目的で使用することが提案されている。

本発明者らは、これらの蛍光性半導体ナノ微粒子の蛍光挙動について研究を行い、周囲のｐＨの変化に応じて蛍光強度が変化し、且つ、蛍光スペクトルのピーク位置が変化しないことを発見した。そして、かかる発見に基づいて、このような蛍光性半導体ナノ微粒子を蛍光素子として用いることにより、安定性が高く、取り扱いの簡単なｐＨセンサーを構成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明において蛍光素子として用いることのできる半導体ナノ微粒子は、伝導帯の下端の電位と価電子帯の上端の電位との間に水の酸化還元電位が位置することを特徴とするものである。

即ち、本発明の一態様は、伝導帯の下端の電位と価電子帯の上端の電位との間に水の酸化還元電位が位置する半導体ナノ微粒子が、基板上に固定されていることを特徴とする蛍光性ｐＨ測定素子に関する。

半導体ナノ微粒子の蛍光発光は以下の機構で起こる。半導体ナノ微粒子のバンドギャップより大きなエネルギーを持つ励起光を照射することにより、半導体ナノ微粒子内部で価電子帯にある電子が伝導帯に励起され、価電子帯には正孔が生成される。励起された電子が再び正孔と結合するときにバンドギャップのエネルギー幅に相当する波長の蛍光が発せられる。このような半導体ナノ微粒子に水と接触させた状態で励起光を照射すると、励起された電子や正孔の一部は水素イオンの還元および水の酸化に消費され、それに相当して蛍光強度は低下する。この酸化・還元反応が起こる確率は、ｐＨが低い、つまり水素イオン濃度が高い程高くなるので、ｐＨが低いときには蛍光強度が弱く、ｐＨが高くなるにつれて蛍光強度が強くなる。

上記のような機構でｐＨに応答して蛍光強度を変化させる半導体ナノ微粒子を基板上に固定し、プロトン透過性の高分子膜（イオン交換膜）などを介して被検試料と接触させながら、基板を通して励起光を照射した時の蛍光強度を測定することにより被検試料のｐＨの測定が可能となる。

本発明において用いる蛍光性半導体ナノ微粒子としては、上述のように伝導帯の下端の電位と価電子帯の上端の電位との間に水の酸化還元電位が位置するものであれば任意のものを使用することができる。

この中でも、特に、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳなどのIIb族−VIb族化合物半導体、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＧａＰなどのIIIb族−Vb族化合物半導体のナノ微粒子を好ましく用いることができる。本発明においては、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ及びＧａＰのナノ微粒子が特に好ましく用いられる。

図１に、種々の半導体（バルク）のバンド構造を示す（NATURE, vol.414, Nov. 2001, p.338-344, “Photoelectrochemical cells, Gratzel”）。図１において、縦軸は、標準水素電極電位を基準とした電位（Ｖ）である。各物質について、価電子帯と伝導帯の電気化学的な位置を示す。各物質について、伝導帯の下端と価電子帯の上端が示されている。図中の点線はｐＨ１における水の酸化還元電位を示す。上の点線が水の還元電位（即ち水素の発生電位）、下の点線が水の酸化電位（酸素の還元電位）である。

半導体ナノ微粒子のバンドギャップ（伝導帯の下端と価電子帯の間のエネルギー幅）は、ナノ微粒子の径（結晶サイズ）が小さくなるほど大きくなる（Physical review B69, 125304(2004)）。したがって、半導体ナノ微粒子の材料と径とを好適に選定することによって、本発明において好ましく使用することのできる蛍光性半導体ナノ微粒子を得ることができる。

種々の直径のＣｄＳｅ、ＣｄＳ及びＧａＰナノ微粒子の伝導帯の下端及び価電子帯の上端と水の酸化還元電位との関係を図２に示す。各グラフの上の実線が伝導帯の下端、下の実線が価電子帯の上端、上の点線で挟まれた斜線部の領域が水の還元電位（即ち水素の発生電位）、下の点線で挟まれた斜線部の領域が水の酸化電位（酸素の還元電位）を示す。水の酸化還元電位はｐＨに依存して変化し、ｐＨが高いほど酸化還元電位は低くなる。斜線部の領域はｐＨ０〜ｐＨ１４の範囲での水の酸化還元電位である。ＣｄＳｅにおいては、全ｐＨに亘って伝導帯の下端と価電子帯の上端の間に水の酸化還元電位が位置するためには、ナノ微粒子の直径は５ｎｍ程度以下である必要があることが分かる。

上述のように、半導体ナノ微粒子のバンドギャップは、ナノ微粒子の径によって変化し、したがって半導体ナノ微粒子が発光する蛍光の波長もナノ微粒子の径によって変動する。微粒子径（結晶サイズ）が小さくなるほど、バンドギャップが大きくなるので、励起光照射によって発する蛍光の波長が小さくなる。

本発明においては、蛍光スペクトルのピークが、蛍光の測定に好都合な波長において現れる微粒子径を選択することが好ましい。本発明においては、可視光域において蛍光スペクトルのピークを発光する半導体ナノ微粒子を用いることが好ましい。本発明において用いる蛍光性半導体ナノ微粒子の好ましい径（結晶サイズ）は、１ｎｍ〜１００ｎｍ、より好ましくは１ｎｍ〜３０ｎｍ、更に好ましくは１．５ｎｍ〜５ｎｍである。

本発明においては、半導体ナノ微粒子（コア）の表面に被覆層（シェル）を形成することが好ましい。半導体ナノ微粒子（コア）の表面に被覆層（シェル）を形成することにより、励起光の照射によって半導体ナノ微粒子自体が溶解する現象を抑制することができる。被覆層を形成する材料としては、励起光及び発生した蛍光を透過するものであれば任意のものを用いることができ、ＳｉＯ_２やＳのような絶縁体を用いてもよい。しかしながら、被覆層としては、半導体ナノ微粒子（コア）のバンドギャップよりも広いバンドギャップを持つ半導体材料を用いて層を形成することが好ましい。被覆層を形成することのできる具体的な材料としては、ＺｎＳ、ＣｄＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＣｄＳｅなどのIIb族−VIb族化合物半導体、ＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰなどのIIIb族−Vb族化合物半導体、或いはＳｉＯ_２のような金属酸化物を挙げることができる。このような化合物半導体を被覆層（シェル）として用いると、半導体のコア粒子の外側をコーティングしやすく、またコアとシェルとの間の結晶格子のミスマッチが小さいので、発光効率が低減しないという有利性が得られる。コア／シェル構造の粒子では、コアの結晶サイズよりもシェルの結晶サイズが圧倒的に小さく、したがって同じ材料をコアとして用いる場合よりもバンドギャップが広くなる。

コアのバンドギャップよりもシェルのバンドギャップが広ければ、励起光としてコアを励起させるのに必要最小のエネルギーに選択することにより、励起光の照射によってコアのみを励起・発光させることができ、シェルの発光によってコアの発光現象に影響を与えることがない。

また、被覆層（シェル）に求められる機能として、コアの蛍光量子効率を量子閉じ込め効果によって増加又は安定させる機能を有することが好ましい。このような機能を有するシェルは、コアを構成する特定の半導体材料に対してそれよりもバンドギャップが広い特定のシェル材料を選択することによって形成することができる。例えば、ＣｄＳｅを蛍光性半導体ナノ微粒子（コア）として用いる場合、ＺｎＳによって被覆層（シェル）を形成したＣｄＳｅ／ＺｎＳコア／シェル構造のナノ微粒子としたり、或いはＣｄＳによってシェルを形成したＣｄＳｅ／ＣｄＳコア／シェル構造のナノ微粒子とすることにより、安定で強度の高い蛍光が得られる。

現在知られているコア／シェル型の蛍光性半導体ナノ微粒子としては、ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳｅ／ＣｄＳ、ＣｄＳｅ／ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ／ＳｉＯ_２、ＣｄＳｅ／ＺｎＯ、ＣｄＴｅ／ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ／ＣｄＳ、ＣｄＴｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳ／ＳｉＯ_２、ＣｄＳ／ＺｎＳ、ＣｄＳ／Ｓ、ＺｎＳ／ＣｄＳ、ＩｎＰ／ＺｎＳ、ＩｎＰ／ＧａＰ、ＩｎＰ／ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ／Ａｓ、ＧａＳｂ／ＧａＡｓ、ＧａＰ／ＩｎＰなどのコア／シェルナノ微粒子が挙げられ、これらのコア／シェル構造の半導体ナノ微粒子を、本発明における蛍光性半導体ナノ微粒子として用いることができる。

また、本発明において、コア／シェル構造を有する半導体ナノ微粒子の表面は保護層で被覆されていることが好ましい。保護層に用いる材料は、光の透過性が高く、耐薬品性が高いことが望ましい。保護層を構成する材料としては、例えばメルカプトプロピルトリメトキシシラン等の有機シラン化合物や、ケイ酸ナトリウム等のケイ酸塩などから合成されるシリカ系材料を挙げることができる。

更に、本発明において、保護層で表面を被覆されたコア／シェル構造を有する半導体ナノ微粒子は基板上に配置されることが望ましい。更に、該半導体ナノ微粒子の上には蛍光反射外光遮断層が形成されることが望ましい。蛍光反射外光遮断層に用いる材料は、光の反射性が高く耐薬品性を有することが望ましい。蛍光反射外光遮断層を構成する材料としては、ＴｉＯ_２微粒子、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＣＯ_３、ＳｉＯ_２微粒子等から選択される少なくとも１種類の物質を含有するテフロン（登録商標）（デュポン：商品名）やサイトップ（旭硝子：商品名）等のフッ素樹脂を挙げることができる（ただし、これに限定されない）。

本発明にかかる蛍光性ｐＨ測定素子は、コア／シェル構造を有する半導体ナノ微粒子の表面に保護層を形成し、更に、前記保護層の周囲に蛍光反射外光遮断層を形成し、該蛍光反射外光遮断層とともに前記半導体ナノ微粒子を基板上に固定化することによって作製される。基板を構成する材料としては、励起光及び発生した蛍光を透過する材料、例えばガラスなどの無機材料、アクリルなどポリマー材料を用いることができる。基板への半導体ナノ微粒子の固定化は、例えば、半導体ナノ微粒子を水などの溶媒中に分散させた分散液を、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）などのマトリクス材料の溶液と混合して、基板上にキャストし、溶媒を乾燥させた後に熱処理を行ってマトリクス材料を結晶化させることによって行うことができる。また、別の方法として、半導体ナノ微粒子の分散液を基板上にキャストし、溶媒を乾燥させた後に、イオン交換膜（例えばＮａｆｉｏｎ）を被覆して熱処理（ホットプレス）することによっても、半導体ナノ微粒子を基板上に固定化することができる。

本発明に使用される典型的なｐＨ測定素子の模式的な構成例を図３に示す。ＣｄＳｅ／ＺｎＳのコア／シェルにシリカの保護層及びフッ素樹脂＋ＴｉＯ_２微粒子の蛍光反射外光遮断層が形成される。
更に、蛍光反射外光遮断層は、ｐＨセンサー素子の蛍光を反射し、外部光を遮断する特性を必要とし、本発明では、蛍光反射外光遮断層は水分の透過性を有してもよいので、ゲル材質で形成し、ＣｄＳｅ／ＺｎＳを覆うような構成を採用することもできる。

次に、上記に説明した本発明に係る蛍光性ｐＨ測定素子を用いたｐＨセンサーについて説明する。
本発明に係るｐＨセンサーは、上記に説明した本発明の蛍光性ｐＨ測定素子と、ｐＨ測定素子に励起光を照射する光源と、ｐＨ測定素子から発光する蛍光を受容して出力信号を与える蛍光検知部と、蛍光検知部からの出力信号を処理してｐＨ指示値を指示する信号を出力する信号処理部とを具備する。

なお、蛍光の光強度は非常に微弱であり、外部から光が侵入すると外乱ノイズになり測定誤差が生じ測定が不安定になってしまうため、外光を遮断する必要がある。従って、ｐＨ値の測定は、外光が遮断された暗室で行なうか、或いは、外光を遮断するための層をｐＨ測定素子に設ける必要がある。しかし、暗室での測定では用途が限定され不便であるため、ｐＨ測定素子には、この素子から放射される蛍光を反射し、外光を遮断すると共に被検物質を透過する蛍光反射外光遮断層を設けることが好適である。また、蛍光反射外光遮断層は、ｐＨ測定素子の保護層としての機能も併せ持つことができる。この蛍光反射外光遮断層としては、多孔質で親水性を持たせた高分子などに、遮光性、耐薬品性を有する物質（例えば酸化チタンなど）を塗布したものが好適である。
したがって、本発明のｐＨ測定素子は、例えば、励起光源及び蛍光受光部分に対して、図４に示すような空間配置で設置されることが可能である。

図５に、本発明の一態様に係るｐＨセンサーの構成例の概略図を示す。ガラス基板１２上に蛍光性半導体ナノ微粒子１４を固定したｐＨ測定素子を、プローブホルダ２０の先端に収容する。ｐＨ測定素子の外側には、更に蛍光反射外光遮断層１６を設ける。プローブホルダ２０の内部には、一端を基板１２の裏面に当接したライトガイドロッドＬＧＲを配置する。ＬＧＲの他端には、それぞれ一端が当接するように一対の光ファイバ２２および２４を延在させる。一方の光ファイバ２２の他端（入射側）を、入射側バンドパスフィルタ２６を介して、光源を発生する発光ダイオード３０と対向させる。また、他方の光ファイバ２４の他端（出射側）は、出射側バンドパスフィル２８を介してフォトダイオード３２と対向させる。入射側バンドパスフィルタ２６の出射側には、光軸から外れた位置に励起光補償用のフォトダイオード３４を設け、その出力を、発光ダイオード３０を駆動するための演算・制御回路４０にフィードバックする。この演算・制御回路４０には、中央処理ユニット（ＣＰＵ）５０から規準信号を供給し、この規準信号とフォトダイオード３４からの信号とのずれに基づいて発光ダイオード３０の駆動電流を制御し、常に一定の輝度の励起光が放射されるようにする。同時に、発光ダイオードから励起光を所定の時間間隔で照射する「間欠照射」を実施するような動作制御を行うことも可能である。

なお、プローブホルダ２０と発光ダイオード３０及びフォトダイオード３４との接続に光ファイバーを使用しないで、プローブホルダ２０と発光ダイオード３０及びフォトダイオード３４とを直接連結してもよい。

フォトダイオード３２の出力信号を、プリアンプ６０で増幅した後、サンプル・ホールド回路６２でサンプリングし、得られるサンプル値を演算増幅器６４および計器本体側のアンプ６６でさらに増幅した後、Ａ／Ｄ変換器６８でディジタル信号に変換し、ＣＰＵ５０に供給する。ＣＰＵ５０では、このようにして供給されるフォトダイオード３２の出力信号を処理してｐＨ値を求めることができる。

プローブホルダ２０の先端に温度センサ７０を設け、その出力信号をアンプ１で増幅して計器本体へ送り、Ａ／Ｄ変換器７４でディジタル信号に変換した後、ＣＰＵ５０へ供給する。ｐＨ値と温度との相関関係を予め求めておき、ＣＰＵ５０でｐＨ値を演算により求める際に、温度センサ７０によって検出した温度による補正を行うことにより、測定精度を向上することができる。

上述したようにして求めたｐＨ値を表す信号は、ＣＰＵ５０に接続した液晶ディスプレイ７６で表示したり、Ｄ／Ａ変換器７８でアナログ信号に変換して出力したり、ＲＳ−２３２Ｃインターフェイス８０を介してディジタル信号として出力する。

これまで本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明によれば、蛍光色素として無機半導体材料を用いているので、有機蛍光色素のような励起光による劣化（退色）が起こらず、長期間安定したｐＨの測定が可能となる。
また、一種類の無機半導体材料でほぼ全範囲のｐＨ測定が可能なため、作製が比較的容易で汎用性のあるｐＨセンサーの提供が可能となる。

更に、本発明に係るｐＨセンサーは、蛍光型のｐＨセンサーであるため、既存のガラス電極型のｐＨセンサーと比較して、電解液の補充が不要であり、破損しにくく、小型のｐＨセンサーを提供することが可能となる。

実施例１
（１）ｐＨ測定素子の作製
ＣｄＳｅ／ＺｎＳナノ微粒子（直径約５ｎｍ）のトルエン分散液（濃度２．５ｍｇ／ｍＬ：Evident Tech.Inc.より入手：商品名Ｅｖｉｄｏｔ）２０μＬをガラス基板上に直径約１ｃｍの範囲に滴下して乾燥させた。乾燥させたＣｄＳｅ／ＺｎＳナノ微粒子上に、膜厚約２５μｍのＮａｆｉｏｎ１１７膜を被せ、ホットプレス機により１００℃、１５ＭＰａで２時間熱処理（ホットプレス）を行うことにより、ＣｄＳｅ／ＺｎＳナノ微粒子をガラス基板上に固定し、本発明に係るｐＨ測定素子を得た。

（２）ｐＨ測定素子の蛍光強度のｐＨ応答性
上記により作製したｐＨ測定素子を、励起光の入射角が４５°になるように１０ｍｍ角セルに斜めに挿入した。このセルに様々なｐＨに調整した緩衝液を注入して、分光蛍光光度計（日本分光ＦＰ７５０）に取り付け、励起光（λ＝３７１ｎｍ）を照射し、発光蛍光の強度を測定した。結果を図６に示す。蛍光強度のｐＨ依存性はほぼ全範囲のｐＨに亘って成り立ち、ピーク波長は殆ど変化なく６２２ｎｍ付近であったことが確認された。

実施例２
（１）ｐＨ測定素子の作製
トリオクチルホスフィンオキシドでコートされたＣｄＳｅ／ＺｎＳナノ微粒子のトルエン分散液（濃度５.０ｍｇ／ｍｌ）１ｍｌを真空乾燥し、トルエンを取り除いた後、脱水メタノール１ｍｌを加え、超音波洗浄器で強制的にＣｄＳｅ／ＺｎＳナノ微粒子を分散させた。脱水ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）２０ｍｌ、脱水メタノール６０ｍｌ、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン（ＭＰＳ）０.２ｍｌ、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）２ｇの溶液を撹拌させながら、上記分散液を一滴ずつ滴下し、室温で約１６時間撹拌した。その後、本溶液を真空乾燥機で約１８ｍｌに濃縮し、メタノールに対して透析し、不要なＤＭＳＯ、ＭＰＳ、ＴＭＡＨを取り除き、ＭＰＳコートＣｄＳｅ／ＺｎＳを得た。ＭＰＳをコートしたＣｄＳｅ／ＺｎＳのメタノール溶液1mlに、アクティブシリカ(０.５ｗｔ％ケイ酸ナトリウム水溶液にｐＨ７になるように硫酸を加えた溶液)０.１ｍｌと２５％アンモニア水溶液２０μlを加え、７０℃で１時間加熱し、その後１８日間室温にて放置して、反応を安定化させた。得られた分散液をφ１０のガラス（直径１０ｍｍ、高さ２ｍｍ、表面を８０メッシュのサンドブラスト加工したもの）に２０μl滴下し約１時間室温乾燥させ、さらにサイトップ（旭硝子：商品名）１.８ｗｔ％、ＴｉＯ_２微粒子（平均粒径約８０ｎｍ）２０ｗｔ％の溶液をガラス上に滴下した後、直ちに余分なサイトップ・ＴｉＯ_２溶液を除去し、１２〜２４時間室温で乾燥後、１２０℃で１時間加熱処理を行った。このようにしてシリカで被覆されたＣｄＳｅ／ＺｎＳナノ微粒子を保護膜とともにガラス基板上に定着させて、本実施例に使用するｐＨ測定素子を得た。

（２）ｐＨセンサーの構成および測定条件の検討
上記の手順により作製されたｐＨ測定素子を、図４に示すように配置し、励起光の入射角が６°、受光装置を反射角が６°、基板センサー取付け反対面からの距離３０ｍｍ、また、基板センサー取付け反対面からの距離３０ｍｍとなるように調整した。

本実施例では、励起光を波長２５０〜４３０ｎｍで照射することにより波長６２５ｎｍの蛍光を得ることができ、特に、励起光波長を２９０〜３８０ｎｍとしたときに安定した蛍光強度が得られた。以下の蛍光測定実験では、光照射による有機物の劣化を防ぐために、３５０〜３８０ｎｍの励起光波長を使用した。すなわち、波長３６５ｎｍの励起光源（発光ダイオード３０）として、ナイトライドセミコンダクター株式会社製のＭＯＤＥＬ−ＮＳ３６５Ｌ−５ＣＬＡを使用した。励起光の光強度調整は励起光源の発光ダイオードの電圧調整によって行った。 また、蛍光受光部のフォトダイオード（３２）には浜松ホトニクス製Ｓ-２３８６−１８Ｌを使用した。

ところで、半導体ナノ微粒子をプローブとするｐＨ測定素子を用いると、励起光の強度が大き過ぎる場合及び／又は照射時間が長過ぎる場合には、「蛍光増大現象」に起因して、蛍光強度が計測対象サンプルの水素イオン濃度を正確に反映しなくなる傾向がある。逆に、励起光の強度が小さい場合や励起光の照射時間が短い場合には、計測可能な蛍光発光強度を得ることができなくなる。そこで、本実施例に係るｐＨセンサーが正常に動作し得るような励起光照射条件（間欠照射の照射時間及び励起光強度）を検討した。

上記構成を有する本実施例の装置では、ＬＥＤ電圧を１００〜３５０ｍＶに設定し、照射時間２ミリ秒及び照射停止時間２〜０.５秒に制御して間欠照射を実施した場合に、上記ｐＨ測定素子がｐＨセンサーとして、上記問題を生じることなく正常に動作し得ることを確認した。一方、ＬＥＤ電圧８００ｍＶ、照射時間２ミリ秒及び照射停止時間２秒の条件では、蛍光強度が経時的に増加する「蛍光増大現象」が顕著に現れた。

そこで、本実施例では、上記装置を用いて、ＬＥＤ電圧２００ｍＶ、励起波長３６５ｎｍ、照射時間２ミリ秒、照射停止時間０.５秒の条件で間欠照射を行いながら、ｐＨ１２.７〜６.７の範囲の異なる６種類の緩衝液について発光蛍光強度の測定を行った。測定結果を図７に示す。図７のグラフ内に記載された数字は標準緩衝溶液のｐＨを示している。すなわち、測定に使用された標準溶液のｐＨは順に１２.８、１１.９、１０.０、９.２、８.０、６.７であった。標準溶液を交換する際に蛍光強度のグラフは一時的に振り切れるが、直ちに蛍光強度は安定化し、次の標準溶液に交換されるまでの間（約１５〜２０分間）ほぼ一定の値を示した。また、標準溶液のｐＨが減少するに伴い、段階的に発光蛍光強度が減少し、蛍光強度のｐＨ依存性を示した。本実施例の結果から、上記手順により作製されたｐＨ測定素子は、ｐＨ測定素子への応用に適した性質、すなわち蛍光強度のｐＨ依存性および安定性を具備する材料であることが示された。

種々の半導体材料のバンド構造を示す図である。 種々の径のＣｄＳｅ、ＣｄＳ及びＧａＰナノ微粒子の伝導帯の下端及び価電子帯の上端の電位と水の酸化還元電位との関係を示す図である。 本発明において使用されるｐＨ測定素子の典型的な構成を示すモデル図である。 本発明の一態様に係るｐＨ測定素子の模式的な空間配置図である。 本発明の一態様に係るｐＨセンサーの装置構成例の概略図である。 実施例１の実験結果（種々のｐＨにおける蛍光強度）を示すグラフである。 実施例２の実験結果（種々のｐＨにおける蛍光強度）を示すグラフである。

Claims (13)

1. 伝導帯の下端の電位と価電子帯の上端の電位との間に水の酸化還元電位が位置する半導体ナノ微粒子が、基板上に固定されていることを特徴とする蛍光性ｐＨ測定素子。
2. 前記半導体ナノ微粒子が、IIb族−VIb族化合物半導体ナノ微粒子又はIIIb族−Vb族化合物半導体ナノ微粒子である請求項１に記載の蛍光性ｐＨ測定素子。
3. 前記化合物半導体ナノ微粒子が、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＧａＰから選択される請求項２に記載の蛍光性ｐＨ測定素子。
4. 前記半導体ナノ微粒子のコアの表面に被覆層（シェル）が形成されているコア／シェル構造のナノ微粒子を用いる請求項１〜３のいずれかに記載の蛍光性ｐＨ測定素子。
5. 前記被覆層が、前記コア材料よりも広いバンドギャップを持つ半導体材料又は絶縁体から構成される請求項４に記載の蛍光性ｐＨ測定素子。
6. ＣｄＳｅ／ＺｎＳ、ＣｄＳ／ＺｎＳ又はＧａＰ／ＩｎＰの前記コア／シェル構造の半導体ナノ微粒子の表面が保護層によって被覆されていることを特徴とする蛍光性ｐＨ測定素子。
7. 前記保護層はシリカ系材料で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の蛍光性ｐＨ測定素子。
8. 前記保護層の上に蛍光反射外光遮断層が更に形成されていることを特徴とする請求項６記載の蛍光性ｐＨ測定素子。
9. 前記蛍光反射外光遮断層はＴｉＯ_２微粒子、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＣＯ_３、ＳｉＯ_２微粒子から選択される少なくとも１種類の物質を含有するフッ素樹脂で構成されていることを特徴とする請求項８記載のｐＨ測定素子。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の蛍光性ｐＨ測定素子と、前記ｐＨ測定素子に励起光を照射する光源と、前記ｐＨ測定素子から発光する蛍光を受容して出力信号を与える蛍光検知部と、前記蛍光検知部からの出力信号を処理してｐＨ指示値を指示する信号を出力する信号処理部とを具備することを特徴とするｐＨセンサー。
11. 前記光源は間欠照射を行なうことを特徴とする請求項１０記載のｐＨセンサー。
12. ガラス基板上にコア／シェル構造を有する半導体ナノ微粒子が固定された蛍光性ｐＨ測定素子の製造方法であって、該製造方法は、
    （１）前記半導体ナノ微粒子の表面に保護層を形成する工程
    （２）前記半導体ナノ微粒子をガラス基板上に塗布する工程及び
    （３）前記塗布した半導体ナノ微粒子の上に蛍光反射外光遮断層を形成し、該層とともに前記半導体ナノ微粒子をガラス基板上に固定する工程
    の各工程を含む、製造方法。
13. 請求項１２の方法により製造された、ｐＨ測定プロープに使用される蛍光性素子。

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