JP2008286564A - 複合分子センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】感温色素として、[Eu4(μ-0)(L1)10](L1=2-hydroxy-4-octyloxybenzophenone)の構造式を有するEu四核錯体化合物100と、感圧色素としてポルフィリン化合物とから成る複合分子センサを、バインダーとしてフッ素系ポリマー、並びに溶媒としてトルエンを各々用いて複合感圧塗料とする。そして、複合感圧塗料を模型に塗布して、続いて励起照明をあて、CCDカメラで発光画像を計測する。その際、2色の発光を計測するため、CCDカメラを2台使用するか、あるいはCCDカメラの前面に光学フィルタを切り替えることのできるフィルタホイールを取り付けて2色の発光を交互に計測する。
【選択図】図1
Description
そこで、感圧塗料に感温色素を混合した複合感圧塗料が考えだされた。この複合感圧塗料を用いた計測では、複合感圧塗料に含まれる感温色素の発光から温度を計測し、その温度を用いて感圧色素の発光に含まれる温度計測誤差を補正することにより圧力を求めている。
しかし、従来の複合感圧塗料では感温色素の温度感度が小さく、感圧色素の発光データから温度計測誤差を精度よく補正することが難しく、その結果、圧力場ひいては温度場を精度よく計測することが出来ないという問題がある。そのため、未だ実用的な複合感圧塗料は存在しないのが現状である。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、温度感度の高い感温色素と感圧色素が混合されて成る複合分子センサであって感圧色素の発光データに含まれる温度計測誤差を精度良く補正することができる高性能な複合分子センサを提供することを目的とする。
上記複合分子センサでは、感温色素としてEu四核錯体化合物(例えば、上記特許文献3を参照。)を用いる。これは、詳細については後述するが、Eu四核錯体に配位結合させる配位子を適切に選定することにより、従来の感温色素(例えば、クマリン系の感温色素(商品名:クマリン307))に比べ格段に優れた高温度感度と圧力感度抑制機能(低圧力感度)を有するようになるためである。また、感圧色素を適切に選定することにより、感温色素の発光帯域と感圧色素の発光帯域とを波長的に分離させることができるようになる。これにより、感温色素の発光データから温度を精度良く求めることができるため、その温度データを用いることにより感圧色素の発光データから温度感度に依存した計測誤差を精度良く取り除くことができるようになる。その結果、従来の複合感圧塗料に比べ精度の高い圧力場および温度場の計測が可能となる。
上記複合分子センサでは、上記感圧色素を使用することにより、高感度の感圧部を構成することができると共に感温色素の発光帯域と感圧色素の発光帯域とを波長的に分離させることができる。
上記複合分子センサでは、上記感圧色素を使用することにより、高感度の感圧部を構成することができると共に感温色素の発光帯域と感圧色素の発光帯域とを波長的に分離させることができる。
上記複合分子センサでは、薄膜塗料の形態で使用することにより、被測定物の外表面のあらゆる部位に塗布することができ、被測定物の形状に依存しない精度の良い圧力場および温度場の計測が可能となる。
上記複合分子センサでは、バインダーとしてフッ素系ポリマーであるPoly-IBM-co-TFEMを使用することにより、上記感圧色素および感温色素が化学的に安定に分散した状態を形成することができるようになる。
トルエンは、フッ素系ポリマーに対する適合性が良好であり且つ揮発速度が遅いため、その塗料は液状を保持したまま被測定物に塗布され得る。従って、上記複合分子センサでは、その塗料が塗装面に対して感圧色素および感温色素が均一に分散し且つ表面が滑らかな薄膜を形成するようになる。
上記複合分子センサでは、配位子として上記L1およびL2を選定することにより、感温色素の高い温度感度を保持しながら圧力感度抑制機能を好適に増大させることができる。
上記複合分子センサでは、複合分子センサに白色顔料を添加することにより、好適に感圧色素および感温色素の発光強度を増加させることができる。
本願発明者が鋭意研究したところ、白色ベースコートに含まれるポリマーと複合分子センサに含まれるポリマーが異なる場合、白色ベースコートと複合分子センサ塗装面との間で若干の干渉があり、本来の複合分子センサの特性が変質することを見出した。
そこで、上記複合分子センサでは、複合分子センサに含まれるポリマーに白色顔料を混合した白色ベースコートを使用することにより、白色ベースコートと複合分子センサ塗装面との間で干渉が起きないようにした。
(1)本発明で使用する感温センサ(感温色素)は、これまで用いられてきた感温色素(EuTTAやRu(phen)やクマリン系の感温色素)よりも高温度感度、かつ極低圧力感度の特性を有するので、高精度で物体表面温度場を計測できる。そのため、感圧塗料の温度計測誤差を従来技術よりも正確に補正することができる。
(2)感温色素の発光スペクトルが狭帯であるため、感圧色素の発光に隣接するように複合化することができる。両者の発光波長が近くなるので、レンズを通して発光を計測する際、レンズの色収差の影響を受け難くなる。
(3)本発明の感圧色素と感温色素は両方とも可視波長域において励起可能であり、風洞観測窓の材質に左右されずに計測できる利点がある(一般的な光学窓ガラスはBK7であり紫外光を通さない。)。また、可視波長励起光源を使用するので紫外光による眼の損傷を受けにくい。
(4)複合分子センサは薄膜センサにして使用するだけでなく、液体中でも使用できる。例えば液体の温度や、液体に溶在している酸素濃度を計測することができるので、バイオ分野で利用できる。
(5)感圧色素、感温色素、ポリマーを共通の溶媒で溶解することができるので、滑らかな薄膜を形成することができる。
(6)希土類錯体は狭バンドで光るため2発光だけでなく、他の化合物を添加することにより3色で発光させることもできる(異なる波長域において、3色で光らせることができる。)。
(7)温度分布がない場合、励起光強度変動を補正する複合感圧塗料として使うことができる。
このEu四核錯体化合物100は、4個のEu(III)イオンと1個の酸素原子Oによってオキソ架橋構造を形成した中心金属と、中心金属の回りに配位子L1として、例えば、下記構造式を持った10個の
このユーロピウムEu四核錯体化合物200は、4個のユーロピウムEu(III)イオンと1個の酸素原子Oによってオキソ架橋構造を形成した中心金属と、中心金属の回りに配位子L2として、例えば、下記構造式を持った10個の
先ず、感圧色素としてPdTFPP、感温色素としてEu四核錯体化合物200([Eu4(μ-0)(L2)10](L2=2-hydroxy-4-dodecyloxybenzophenone)、およびポリマーとしてPoly-IBM-co-TFEMを各々用いて、溶媒としてトルエンをそれらに加えて複合感圧塗料を作製した。
複合感圧塗料サンプル(スプレー塗装したサンプル基板)の発光特性評価(感圧/感温特性評価)はJAXA(宇宙航空研究開発機構)所有の感圧塗料較正試験装置(図4)を用いて行った。サンプル基板にかかる圧力と温度をコントロールできる真空チャンバーの中に複合感圧塗料サンプルを置き、複合感圧塗料サンプルの発光強度の変化をCCDカメラで撮影してデータを取得した。なお、真空チャンバー内の圧力とサンプル基板温度、カメラ、光源はコンピュータで制御できるようになっている。また、複合感圧塗料サンプルの感圧/感温特性については、図6および図7を参照しながら後述する。
このグラフからEu四核錯体化合物200(以下、「本発明に係る感温色素」という。)の発光スペクトル帯域とPdTFPP(以下、「本発明に係る感圧色素」という。)の発光スペクトル帯域が波長的に分離可能であることがわかる。つまり、本発明に係る感温色素の発光ピークから被測定物の温度に関する情報を別個独立に得ることができ、他方、本発明に係る感圧色素の発光ピークから被測定物の圧力に関する情報を別個独立に得ることができる。なお、発光スペクトル帯域の内で一部重なっている帯域が存在するが、僅かであり計測精度上の問題となることはない。なお、本発明に係る感温色素の発光ピークは615nmにあり、対する本発明に係る感圧色素の発光ピークは670nmにある。
このグラフも、図6と同じように、感圧塗料サンプルにかかる圧力または温度を変えながらCCDカメラで計測した発光強度(I)に対して、ある基準状態の発光強度(Iref)で正規化した値をプロットした図である。ここで、発光強度(I)は発光画像におけるある領域の平均値である。基準状態は、感圧特性ではPref=100kPa、感温特性ではTref=20℃である。通常のフッ素系ポリマーを使用した感圧塗料と同じように、感圧特性は温度にほとんど依存しない。図3の分光結果で示したように、感温色素の発光は圧力に依存せず、温度に強く依存する。
○印は、模型に設けられた静圧孔から得られた圧力データであり、一方、点線は本発明の複合感圧塗料の感圧色素から得られた圧力データであり、対する実線は、同感温色素から得られた温度データを用いて点線で示された圧力データを補正した圧力データを示している。図から明らかなように、○印は実線上または実線の近傍にあり、本発明の複合感圧塗料を用いることにより風洞実験における圧力場の精度が向上しているのが分かる。
(1)熱流体計測分野:物体表面圧力や温度場を同時に計測することができる。また、液体温度や液体に含まれる酸素濃度の同時モニターが可能である。
(2)マイクロ分野:分子センサーであるためマイクロ物体の圧力、温度場計測に適用できる。
(3)バイオ分野:細胞の温度と、細胞に溶存している酸素の濃度を同時に計測することができる。
(4)環境分野:空気中の酸素濃度と気温を計測することができる。
Claims (9)
- 感温色素と感圧色素が混合されて成る複合分子センサであって、前記感温色素はEu四核錯体化合物であることを特徴とする複合分子センサ。
- 前記感圧色素は、ポルフィリン化合物、ポルフォラクトン化合物またはTb錯体化合物である請求項1に記載の複合分子センサ。
- 前記ポルフィリン化合物はPdTFPPである請求項2に記載の複合分子センサ。
- 前記複合分子センサは、薄膜塗料の形態で使用され得るように、バインダーであるポリマーとそれらを希釈する溶媒に混合されて成る請求項1から3の何れかに記載の複合分子センサ。
- 前記ポリマーはPoly-IBM-co-TFEMである請求項4に記載の複合分子センサ。
- 前記ポリマーはPoly-IBM-co-TFEMであり且つ前記溶媒はトルエンである請求項4又は5に記載の複合分子センサ。
- 前記Eu四核錯体化合物は、[Eu4(μ-0)(L1)10](L1=2-hydroxy-4-octyloxybenzophenone)または[Eu4(μ-0)(L2)10](L2=2-hydroxy-4-dodecyloxybenzophenone)である請求項1から6の何れかに記載の複合分子センサ。
- 発光強度を増強させるために、前記複合分子センサは白色顔料を添加されて塗料の形態で塗布される請求項4から7の何れかに記載の複合分子センサ。
- 前記ポリマーに白色顔料を混合した白色ベースコート層の上に前記複合分子センサが塗布されることから成る請求項4から7の何れかに記載の複合分子センサ。
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