JP2732878B2 - Optical fiber sensor - Google Patents

Optical fiber sensor

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JP2732878B2
JP2732878B2 JP1007598A JP759889A JP2732878B2 JP 2732878 B2 JP2732878 B2 JP 2732878B2 JP 1007598 A JP1007598 A JP 1007598A JP 759889 A JP759889 A JP 759889A JP 2732878 B2 JP2732878 B2 JP 2732878B2
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【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、被測定物の性状を測定するセンサ、より具
体的には、光ファイバを用いて物質の性状を光学的に測
定する光ファイバセンサに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a sensor for measuring properties of an object to be measured, and more specifically, an optical fiber for optically measuring properties of a substance using an optical fiber. Related to sensors.

[従来の技術] 近年、主に遠隔測定を目的とした光ファイバセンサが
種々考案されてきた。とくに、測光方法や光ファイバ自
体の発達によって、センサの微小化が可能となってき
た。光ファイバセンサは、光ファイバの先端に位置する
測定対象物質自体の光学的情報(例えば、吸光度、蛍光
強度など)を光ファイバを介して直接的に得るものと、
測定対象物質との反応など、それによって何らかの変化
を受ける試薬を光ファイバ先端に固定しその試薬の光学
的情報を得ることによって間接的に測定対象物質の情報
を得るものとに分類できる。前者では、被測定物が光学
的情報を持つ物質(例えば色素)に限られる。
[Related Art] In recent years, various optical fiber sensors mainly for remote measurement have been devised. In particular, the miniaturization of sensors has become possible due to the development of photometric methods and optical fibers themselves. The optical fiber sensor directly obtains optical information (for example, absorbance, fluorescence intensity, etc.) of the substance to be measured located at the tip of the optical fiber directly through the optical fiber,
A reagent that undergoes some change, such as a reaction with the substance to be measured, is fixed to the tip of the optical fiber, and the information on the substance to be measured can be obtained indirectly by obtaining the optical information of the reagent. In the former, the object to be measured is limited to a substance having optical information (for example, a dye).

後者では、より広い範囲の測定対象物質に対して応用
が可能である。例えば、液体または気体中の酸素濃度の
測定では、酸素は光学的情報に乏しいので、蛍光などの
発光の強度が酸素によって弱められる消光現象を利用す
ることによって測定を行うことができる。たとえば、ピ
レンなどの蛍光物質からの蛍光は酸素によって強度が減
少されることを利用して、光ファイバの先端に蛍光物質
を試薬として固定しこれから発せられる蛍光の強度を検
知することによって周囲の酸素濃度を測定する方法があ
る。これらの場合、蛍光物質を励起するための光源から
の光と蛍光物質から発する蛍光をそれぞれ別の、または
単一の光ファイバが伝送する。実際の酸素濃度測定を可
能にするには、試薬が含まれる層が高い酸素透過係数を
持つことが要求され、そのため試薬を固定する種々の方
法が提案されてきた。たとえば、 (1)シリコーンポリマの中に蛍光物質を溶解する方法
(特許公報 昭59−24379)、 (2)可塑剤を含むポリマ中に蛍光物質を溶解する方法
(オーストリア公開特許公報A4248/82)、 (3)多孔質支持体上に吸着固定する方法(国際出願PC
T US82/01418)などがある。
The latter can be applied to a wider range of substances to be measured. For example, in the measurement of the oxygen concentration in a liquid or a gas, since oxygen has poor optical information, the measurement can be performed by utilizing the quenching phenomenon in which the intensity of light emission such as fluorescence is weakened by oxygen. For example, taking advantage of the fact that the intensity of fluorescence from a fluorescent substance such as pyrene is reduced by oxygen, the fluorescent substance is fixed at the tip of an optical fiber as a reagent, and the intensity of the fluorescent light emitted from the reagent is detected to detect the surrounding oxygen. There is a method of measuring the concentration. In these cases, the light from the light source for exciting the fluorescent substance and the fluorescent light emitted from the fluorescent substance are transmitted by different or single optical fibers. In order to enable actual oxygen concentration measurement, the layer containing the reagent is required to have a high oxygen permeability coefficient, and various methods for fixing the reagent have been proposed. For example, (1) a method of dissolving a fluorescent substance in a silicone polymer (Patent Publication No. 59-24379), and (2) a method of dissolving a fluorescent substance in a polymer containing a plasticizer (Austrian Patent Publication A4248 / 82) (3) A method of adsorbing and fixing on a porous support (international application PC
T US82 / 01418).

(4)また、光源からの光(例えば、光ファイバで伝送
される)と試薬層の面との間に特定の角度を持たせるこ
とによって、光源からの光が試薬層とこれを固定する材
料との界面で反射して光検出器にはいることを防ぐとい
う考案(オーストリア公開特許公報A2955/84)がある。
(4) In addition, by giving a specific angle between the light from the light source (for example, transmitted by an optical fiber) and the surface of the reagent layer, the light from the light source can be used to fix the reagent layer and the material for fixing the same. (Austrian Patent Publication A2955 / 84) to prevent the light from being reflected at the interface with the photodetector and entering the photodetector.

(5)さらに、表面積を大きくするために光ファイバの
先端を光ファイバの長さ方向に対して斜めに切断しその
断面に試薬層を設ける方法が考えられる。
(5) Further, in order to increase the surface area, a method may be considered in which the tip of the optical fiber is cut obliquely to the length direction of the optical fiber and a reagent layer is provided on the cross section.

酸素以外の測定対象物質の測定では、pHなどのイオン
濃度を測定するための光ファイバセンサも種々考案され
ている。たとえば、 (6)イオン濃度に応じて蛍光分光学的な特性が変化す
る色素を光ファイバの先端に固定し、周囲のイオン濃度
を測定する方法がある。
For measurement of a substance to be measured other than oxygen, various optical fiber sensors for measuring ion concentration such as pH have been devised. For example, there is a method (6) in which a dye whose fluorescence spectroscopic properties change according to the ion concentration is fixed to the tip of the optical fiber, and the surrounding ion concentration is measured.

水素イオン濃度(pH)を対象にした光学式のセンサに
おける蛍光体等の色素の固定方法を列挙すると、 (7)キャリア膜にセルロースを用いて、蛍光体と共重
合可能なモノマとをセルロースの網目の中で共重合させ
て、セルロースと、蛍光体とモノマとの共重合体とは互
いに科学的に結合していない、いわゆる相互侵入網目構
造をとる方法(アメリカ合衆国特許公報4,568,518)、 (8)セルロースに官能基を形成した物に共有結合をも
って蛍光体を結合せしめる方法(ドイツ特許公報334363
6,“アナリティカル・ケミストリー",1982年第54巻第82
1〜823頁,“IEEEトランザクションズ・オン・バイオメ
ディカル・エンジニアリング"1986年第BME33巻第117〜1
32頁)、 (9)イオン交換膜にイオン結合をもって蛍光体を結合
せしめる方法(特開昭60−86449)、 (10)シランカップリング剤などを介して共有結合をも
って蛍光体を光ファイバなどのガラス面に直接結合せし
める方法(特開昭60−100037,“アナリティカル・サイ
エンス",1987年第3巻第7〜9頁)などがある。
The method of fixing a dye such as a phosphor in an optical sensor targeting hydrogen ion concentration (pH) is listed as follows. (7) Using cellulose as a carrier film, a monomer copolymerizable with a phosphor and a monomer copolymerizable with the phosphor are used. (8) a method of copolymerizing in a network to form a so-called interpenetrating network structure in which the cellulose, the copolymer of the phosphor and the monomer are not chemically bonded to each other (US Pat. No. 4,568,518), A method in which a fluorescent substance is bound to a substance having a functional group formed on cellulose by covalent bond (German Patent Publication 334363)
6, "Analytical Chemistry", Vol. 54, No. 82, 1982
Pages 1 to 823, "IEEE Transactions on Biomedical Engineering", 1986, BME 33, 117-1
(9) a method of bonding a fluorescent substance to an ion exchange membrane by ionic bonding (Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-86449); and (10) a method of converting a fluorescent substance to an optical fiber or the like with a covalent bond via a silane coupling agent. There is a method of directly bonding to a glass surface (Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-100037, "Analytical Science", 1987, Vol. 3, pp. 7-9).

[発明が解決しようとする課題] 前述の提案(1)および(2)においてはセンサ形状
の記述はなく、特定もされていない。また、提案(3)
においては多孔質支持体を用いるため光ファイバと試薬
層との間に空隙が生じ、このため反射・散乱による光量
の損失は大きく、またチューブ状外包物を必要とするた
めセンサ形状がこれによって規制される。センサの微小
化を企図するならば、光源からの光と蛍光とが同一の光
ファイバによって伝送されることが望ましく、二本の
(一対の)光ファイバを用いる方法(3)においては微
小化に限界がある。
[Problems to be Solved by the Invention] In the above proposals (1) and (2), there is no description of the sensor shape, and no specification is made. Proposal (3)
In the above, a void is generated between the optical fiber and the reagent layer due to the use of the porous support, which causes a large loss in the amount of light due to reflection and scattering, and the sensor shape is regulated by the need for a tube-shaped envelope. Is done. If the miniaturization of the sensor is intended, it is desirable that the light from the light source and the fluorescent light are transmitted by the same optical fiber. In the method (3) using two (a pair of) optical fibers, the miniaturization is required. There is a limit.

提案(4)においては試薬層を固定する面はあくまで
も平面であり、光ファイバセンサとして利用した場合、
こうした微小な平面に試薬層を均一にかつ必要十分な強
度をもって固定することは困難であるばかりか、感度を
向上するための有効な手段である試薬層の表面積を大き
くすることはできない。
In Proposal (4), the surface on which the reagent layer is fixed is merely a flat surface, and when used as an optical fiber sensor,
Not only is it difficult to fix the reagent layer uniformly and with necessary and sufficient strength on such a minute plane, but also it is not possible to increase the surface area of the reagent layer, which is an effective means for improving sensitivity.

提案(5)においては界面での光反射がより大きくな
り光量の損失が増大するばかりか、微小な部位に均一な
試薬層を形成することが甚だ困難である。さらに、試薬
層と被測定媒体の間に選択透過膜または保護膜を設ける
場合もまた、均一な膜を設けることが困難である。ま
た、光ファイバの先端部の形状は鋭角となるためファイ
バセンサを被測定部位に導く際にこの膜が破れ易くな
る。
In Proposal (5), not only the light reflection at the interface becomes larger and the loss of light amount increases, but also it is extremely difficult to form a uniform reagent layer on a minute portion. Further, even when a permselective film or a protective film is provided between the reagent layer and the medium to be measured, it is also difficult to provide a uniform film. Further, since the shape of the tip portion of the optical fiber is an acute angle, this film is easily broken when the fiber sensor is guided to the measurement site.

提案(6)のセンサについても、前述の酸素センサと
同様の問題点を抱えている。
The sensor of proposal (6) also has the same problems as the oxygen sensor described above.

提案(7)〜(10)については、いずれの方法も、試
薬層の形状については特定していない。
Regarding proposals (7) to (10), none of the methods specifies the shape of the reagent layer.

本発明は、このような従来技術の問題点を企図してな
されたものであり、高い感度、速い応答速度、優れた再
現性を有する、物質の性状の測定を目的とした微小な光
ファイバセンサを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of such problems of the related art, and has a high sensitivity, a fast response speed, and excellent reproducibility, and is a minute optical fiber sensor for measuring a property of a substance. The purpose is to provide.

[課題を解決するための手段] 本発明によれば、被測定物に影響される試薬を含む試
薬層と、それを先端部に有する光ファイバとを有し、光
ファイバを通して試薬層へ光を導き、その試薬層から得
られる光を再び光ファイバを通して導くことにより、被
測定物の性状の測定に使用される光ファイバセンサにお
いて、先端部およびその先端部を覆う試薬層は、ともに
曲面形状に形成されていることにより測定できるもので
ある。
[Means for Solving the Problems] According to the present invention, there is provided a reagent layer containing a reagent affected by an object to be measured, and an optical fiber having the reagent at its tip, and light is transmitted to the reagent layer through the optical fiber. By guiding the light obtained from the reagent layer again through the optical fiber, the tip portion and the reagent layer covering the tip portion of the optical fiber sensor used for measuring the property of the object to be measured are both curved. It can be measured by being formed.

本発明の一つの特徴によれば、曲面は光ファイバのコ
アと実質的に同じ材質で形成されている光ファイバセン
サを含む。
According to one feature of the invention, the curved surface includes an optical fiber sensor formed of substantially the same material as the core of the optical fiber.

本発明の他の一つの特徴によれば、曲面を形成する材
料と光ファイバとが実質的に同じ屈折率を有することを
特徴とする光ファイバセンサを含む。
According to another feature of the invention, there is provided an optical fiber sensor, wherein the material forming the curved surface and the optical fiber have substantially the same refractive index.

ここで、「試薬層」とは、被測定媒体中の測定対象物
質となんらかの対応を生じ光学的な情報の変化を生じう
る試薬が、薄膜状、あるいは多層状に分布した層であ
り、たとえば、試薬を含有するマイクロカプセルなどの
微粒子が分散した層もこれに含まれる。さらに「曲面」
とは、球面、楕円体面、放物面などの幾何学的な曲面の
他に、これら幾何学的な面が複合された曲面も含む。
Here, the `` reagent layer '' is a layer in which a reagent capable of causing a change in optical information by causing some correspondence with a substance to be measured in a medium to be measured is a layer in which a thin film or a multilayer is distributed. This includes a layer in which fine particles such as microcapsules containing a reagent are dispersed. Furthermore, "curved surface"
The term includes not only a geometrically curved surface such as a spherical surface, an ellipsoidal surface, and a paraboloid, but also a curved surface obtained by combining these geometrical surfaces.

また、曲面は凸状だけでなく凹状に形成されていても
よい。
Further, the curved surface may be formed not only in a convex shape but also in a concave shape.

さらに、試薬層が固定された曲面の材質と光ファイバ
のコアの材質とが実質的に同一であることが望ましい。
Furthermore, it is desirable that the material of the curved surface on which the reagent layer is fixed and the material of the core of the optical fiber are substantially the same.

ここにいう、「材質」とは、各材料の主に屈折率など
の光学的性質、表面エネルギーなど互いの界面における
性質を称し、「材質が実質的に同一」であるとは、各材
料が互いに同一である場合も含むこととする。
As used herein, the term “material” refers mainly to optical properties such as refractive index of each material and properties at an interface such as surface energy, and “materials are substantially the same” means that each material is substantially the same. This includes the case where they are the same as each other.

[作 用] 先ず、試薬層を有する光センサにおいて、試薬層なら
びにこれと被測定媒体との間に設けられた選択透過膜が
均一性が高く膜が薄いほど高い感度、速い応答速度が得
られる。また、試薬層(または選択透過膜)が被測定媒
体と接触する表面積が大きいことが感度を高める要因と
なる。ここで選択透過膜は、測定対象物質以外の試薬と
反応しうる物質、あるいはこの反応を阻害する因子/物
質が試薬層に到達することを阻止し、センサとしての選
択性を向上する役目を果たす。同時に選択透過膜は試薬
層の保護、試薬の流出防止の役割も担っている。
[Operation] First, in an optical sensor having a reagent layer, the reagent layer and the permselective membrane provided between the reagent layer and the medium to be measured have higher uniformity, and the thinner the film, the higher the sensitivity and the faster the response speed. . In addition, a large surface area of the reagent layer (or the permselective membrane) in contact with the medium to be measured is a factor for increasing the sensitivity. Here, the permselective membrane prevents substances that can react with a reagent other than the substance to be measured or factors / substances inhibiting this reaction from reaching the reagent layer, and plays a role of improving selectivity as a sensor. . At the same time, the permselective membrane also plays a role in protecting the reagent layer and preventing outflow of the reagent.

また、微小な光ファイバセンサにおいては、試薬層と
光ファイバの先端からの距離が近接した部位に設けるほ
ど光量の損失を最小限にする。したがって、試薬層を直
接光ファイバの先端に結合する方法が考えられる。ま
た、試薬層を設ける方法で最も簡易で確実な方法は、試
薬層を形成するマトリックス(通常はポリマ類)を試薬
とともに適当な溶媒に溶解し、この溶液を光ファイバの
先端に塗布し、必要に応じてこの溶媒を乾燥除去する方
法である。
In the case of a minute optical fiber sensor, the loss of the light amount is minimized as the distance between the reagent layer and the tip of the optical fiber is shorter. Therefore, a method of directly coupling the reagent layer to the tip of the optical fiber is conceivable. The simplest and most reliable method of providing a reagent layer is to dissolve the matrix (usually polymers) forming the reagent layer in a suitable solvent together with the reagent, apply this solution to the end of the optical fiber, This is a method of removing the solvent by drying according to the following conditions.

次に、光ファイバの先端をファイバの長さ方向に垂直
な面で切断し、この断面を前述のような試薬層を形成す
るマトリックスの適当な粘度の溶液に直接浸漬し、ある
いはこの溶液を断面に滴下すると、表面張力によって外
面が球面様の試薬層を形成することできる。したがっ
て、露出する表面積は事実上大きくなるが、しかしなが
ら試薬層の厚さは凸レンズ様の分布を持ち応答速度が甚
だ遅くなり、再現性に欠く。
Next, the tip of the optical fiber is cut along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the fiber, and this section is directly immersed in a solution having a suitable viscosity of the matrix for forming the reagent layer as described above, or the solution is sectioned. , A reagent layer having a spherical outer surface can be formed by surface tension. Therefore, the exposed surface area is actually large, but the thickness of the reagent layer has a convex lens-like distribution, the response speed is extremely slow, and the reproducibility is lacking.

発明者は、鋭意検討の結果、試薬層を結合保持する面
を曲面とすることによって、試薬層および/または選択
透過膜を均一な厚さでかつ表面積を大きく塗布すること
ができ、したがって、高い感度、速い応答速度、および
優れた再現性を有する、試薬層の破壊されがたい光ファ
イバセンサを形成することができることを見いだした。
As a result of intensive studies, the inventor has made it possible to apply a uniform thickness and a large surface area to the reagent layer and / or the permselective membrane by making the surface holding and holding the reagent layer curved, so that a high surface area can be obtained. It has been found that it is possible to form a fiber optic sensor with high sensitivity, fast response speed, and excellent reproducibility, in which the reagent layer is hard to break.

[実施例] 第1図は、本発明の一実施例の態様を示す断面図であ
り、光ファイバ100の先端を球状にしたものである。光
ファイバ100は、図示のように、光学的に透明な材料か
らなる長尺状のコア101と、その周面を包囲しコア101と
異なる屈折率を有する材料からなるクラッド102と、そ
れらの周面を包囲するジャケット103からなる。
Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention, in which an optical fiber 100 has a spherical tip. As shown in the figure, the optical fiber 100 has a long core 101 made of an optically transparent material, a clad 102 surrounding the peripheral surface and made of a material having a refractive index different from that of the core 101, and a peripheral part thereof. It consists of a jacket 103 surrounding the surface.

その先端部110は、図示のように全体として球の一部
をなすように曲面状に形成されている。先端部110の球
面には、図示のように試薬層104が形成され、これを覆
うように選択透過膜105が形成されている。さらに外乱
光による誤動作を防止したり、外力による破損を防止す
るために、先端部以外を図示のようにジャケット103で
クラッド102の周面を包囲する。
The tip portion 110 is formed in a curved shape so as to form a part of a sphere as a whole as shown. A reagent layer 104 is formed on the spherical surface of the distal end portion 110 as shown, and a permselective membrane 105 is formed so as to cover the reagent layer 104. Further, in order to prevent malfunction due to disturbance light and prevent damage due to external force, the outer surface of the clad 102 is surrounded by a jacket 103 as shown in FIG.

試薬層104は、被測定物質と反応して何らかの光学的
な変化を生じ得る材料を含む。これは、先端部110に均
一に分布されているが、不均一に分布されていてもよ
い。また、薄膜状に形成されてもよく、必ずしも単層で
なく多層状に形成されてもよい。また、マイクロカプセ
ルを分散させたものでもよい。さらに曲率半径も光ファ
イバ101の半径に等しいか大きければよい。選択透過膜1
05は、試薬と反応し得る測定対象物質以外の物質やその
反応を阻害する因子ないしは物質が外部から試薬層104
に到達するのを阻止してセンサとしての選択性を与え、
また試薬層104が流出したり、他の物質に付着したりす
るのを防止する機能を有する。
The reagent layer 104 includes a material that can react with a substance to be measured and cause some optical change. It is uniformly distributed on the tip 110, but may be unevenly distributed. Further, it may be formed in a thin film shape, and may be formed not in a single layer but in a multilayer shape. Further, microcapsules may be dispersed. Further, the radius of curvature may be equal to or larger than the radius of the optical fiber 101. Permselective membrane 1
05 indicates that a substance other than the substance to be measured, which can react with the reagent, or a factor or substance that inhibits the reaction is externally supplied to the reagent layer 104
To the sensor to give it selectivity as a sensor,
Further, it has a function of preventing the reagent layer 104 from flowing out and adhering to other substances.

光ファイバ100の先端部の球状部分の曲率半径を光フ
ァイバ100の半径より大きい場合を第2図に示し、等し
い場合を第3図に示す。
FIG. 2 shows a case where the radius of curvature of the spherical portion at the distal end of the optical fiber 100 is larger than the radius of the optical fiber 100, and FIG.

曲面を形成せしめる材料は、光ファイバ100のコア101
と同じ材質であることが望ましい。何故ならば、これら
の材料間に屈折率などの光学的な性質に違いがあると、
界面での光の反射が生じ、光量損失が生じるからであ
る。また、表面エネルギーなどの違いは両材料間の接着
性を損ね、強度的に弱くなるという問題を生じ易くす
る。
The material that forms the curved surface is the core 101 of the optical fiber 100.
It is desirable that the material is the same as that of. Because if there is a difference in optical properties such as refractive index between these materials,
This is because light is reflected at the interface and light amount loss occurs. Further, a difference in surface energy or the like impairs the adhesiveness between the two materials, and tends to cause a problem of a decrease in strength.

このようにして作製された光ファイバ100の先端(曲
面)に、試薬層104を固着させ、また、必要に応じて試
薬層104と被測定媒体510(第4図)との間に被測定物質
に対する選択透過層105を介在させるが、このような場
合にも試薬層104および選択透過膜105を均一な厚さでか
つ塗布面積を大きくすることができる。また、このよう
にして塗布された試薬層104および選択透過膜105もしく
はいずれかは、鋭利な部分を持ちがたいので外的な衝撃
により破壊されがたい。
The reagent layer 104 is fixed to the tip (curved surface) of the optical fiber 100 manufactured as described above, and if necessary, the substance to be measured is placed between the reagent layer 104 and the medium to be measured 510 (FIG. 4). However, in such a case, the reagent layer 104 and the permselective membrane 105 can have a uniform thickness and a large application area. In addition, the reagent layer 104 and / or the permselective membrane 105 applied in this manner are difficult to have a sharp portion, and thus are not easily destroyed by an external impact.

例 PMMA製のプラスチック光ファイバ(クラッド径0.5m
m)を2mの長さに鋭利な刃物で切断し、片端にPMMAのジ
メチルホルムアミド溶液を浸漬して乾燥し、これを数回
繰り返してその端面をほぼ球面とした。この球面をトリ
ス(2,2′−ビピリジン)ルテニウム(II)塩化物20m
M、ポリビニルピロリドン10%の水溶液中に浸漬し、乾
燥し、ほぼ均一な厚さを有する薄層を形成させることが
できた。さらにその上から、ポリビニルピロリドン層が
露出しないように、シリコーンRTV(トーレシリコーン
製)の10%トルエン溶液からシリコーンの薄層を形成さ
せた。この例は、第1図にその概略を示すような形状を
呈した。シリコーンが硬化した後、1週間水に浸漬した
が、膜厚等の形状に著しい変化はなかった。このように
作製した酸素濃度測定用光ファイバプローブは、たとえ
ば、第4図に示すような光学測定装置に接続して使用さ
れる。第4図は本実施例で用いた光学測定装置の例を示
す図である。電源501で駆動されるキセノンランプなど
の光源502より発せられた光が非球面レンズ503により集
束され、干渉フィルタ504にて波長440nm付近の光のみ透
過される。さらに、凸レンズ505にてこの波長440nm付近
の光は集束され、二色性鏡506にて全反射される。全反
射された光は対物レンズ507にて集束され、光ファイバ1
00のコア101に入射される。入射された光は光ファイバ1
00のプローブ509に到達する。プロー509に到達した光
は、例えば第1図のコア101を通り試薬層104を照射す
る。照射された試薬層104は、この例では波長610nmにて
発光し、その開口端より発散する。発散した光は前と同
じ光路を逆に向い対物レンズ507にて集束され二色性鏡5
06を透過し、凸レンズ511および512にて集束され、干渉
フィルタ513を透過する。透過した波長610nmの光のみ光
電子増倍管514に入射される。入射された光は光電子増
倍管514にて光電子に変換され、同管514内にて増倍され
る。これによる電気信号をプリアンプ516にて増幅し、A
/Dコンバータ517にてデジタル信号に変換する。変換さ
れたデジタル信号はさらに演算装置(コンピュータ)51
8にて処理され、表示装置(CRT)519に表示されるので
ある。
Example PMMA plastic optical fiber (cladding diameter 0.5m)
m) was cut to a length of 2 m with a sharp knife, and one end was immersed in a dimethylformamide solution of PMMA and dried, and this was repeated several times to make the end surface substantially spherical. This spherical surface is tris (2,2'-bipyridine) ruthenium (II) chloride 20m
M, immersed in a 10% aqueous solution of polyvinylpyrrolidone and dried to form a thin layer having a substantially uniform thickness. Furthermore, a thin layer of silicone was formed from a 10% toluene solution of silicone RTV (made by Toray Silicone) so that the polyvinylpyrrolidone layer was not exposed. This example had a shape as shown schematically in FIG. After the silicone was cured, it was immersed in water for one week, but there was no significant change in shape such as film thickness. The thus prepared optical fiber probe for measuring oxygen concentration is used, for example, by connecting to an optical measuring device as shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing an example of the optical measuring device used in this embodiment. Light emitted from a light source 502 such as a xenon lamp driven by a power supply 501 is focused by an aspheric lens 503, and only light near a wavelength of 440 nm is transmitted by an interference filter 504. Further, the light around the wavelength of 440 nm is focused by the convex lens 505 and totally reflected by the dichroic mirror 506. The totally reflected light is focused by the objective lens 507, and the optical fiber 1
It is incident on the core 101 of 00. The incident light is optical fiber 1
The probe 509 of 00 is reached. The light that has reached the probe 509 irradiates the reagent layer 104, for example, through the core 101 in FIG. The irradiated reagent layer 104 emits light at a wavelength of 610 nm in this example, and diverges from the opening end. The divergent light is converged by the objective lens 507 in the same optical path as before, and the dichroic mirror 5
The light passes through 06, is focused by the convex lenses 511 and 512, and passes through the interference filter 513. Only the transmitted light having a wavelength of 610 nm is incident on the photomultiplier tube 514. The incident light is converted into photoelectrons by a photomultiplier tube 514 and multiplied in the photomultiplier tube 514. The electric signal by this is amplified by the preamplifier 516, and A
It is converted to a digital signal by the / D converter 517. The converted digital signal is further processed by an arithmetic unit (computer) 51
It is processed at 8 and displayed on the display device (CRT) 519.

本装置により血液中の酸素濃度を人工肺装置によって
変化させながら、発光強度の変化を観察したところ、発
光強度と酸素濃度との間にシュテルン−フォルマーの式
が成立し、応答速度は20秒以内と非常に速かった。
Observing the change in luminescence intensity while changing the oxygen concentration in the blood with the oxygenator using this device, the Stern-Volmer equation was established between the luminescence intensity and the oxygen concentration, and the response speed was within 20 seconds. And it was very fast.

比較例 一方、第5図は従来例を示す図である。プラスチック
光ファイバ120を鋭利に切断し、透明もしくは半透明で
屈折率が互いに異なる材料で指示薬層104を含むように
選択透過膜105を作製し、球面とすることなしに、実施
例と同様な手技で光ファイバプローブを作製したとこ
ろ、ポリビニルピロリドン層、シリコーン層は共に均一
な厚さにならず、1週間の水への浸漬によって一部が膨
潤した形となった。
Comparative Example On the other hand, FIG. 5 shows a conventional example. A plastic optical fiber 120 is cut sharply, a permselective film 105 is formed so as to include the indicator layer 104 with a transparent or translucent material having a different refractive index, and the same procedure as in the embodiment is performed without forming a spherical surface. When the optical fiber probe was prepared, the polyvinylpyrrolidone layer and the silicone layer did not become uniform in thickness, but became partially swollen by immersion in water for one week.

このようにして作製した、酸素濃度測定用光ファイバ
プローブを第4図のような光学測定装置に接続して、血
液中の酸素濃度を人工肺装置によって変化させながら、
発光強度の変化を観察したところ、発光強度と酸素濃度
との間にシュテルン−フォルマーの式は成立するもの
の、その傾きは実施例の約2分の1であった。また、応
答速度も30秒と遅かった。
The optical fiber probe for measuring oxygen concentration thus prepared was connected to an optical measuring device as shown in FIG. 4, and while changing the oxygen concentration in the blood with an oxygenator,
Observation of the change in the luminescence intensity showed that the Stern-Volmer equation was established between the luminescence intensity and the oxygen concentration, but the slope was about half that of the example. The response speed was as slow as 30 seconds.

ここで、シュテルン−フォルマーの式は、 Fo/F=1+Kqτo[Q] =1+Ko[Q] で表わされる。但し Foは消光物質が存在しないときの発光強度 Fは発光強度 Kqは消光反応速度係数 τoは消光物質が存在しないときの発光寿命 [Q]は消光物質の濃度 Koはシュテルン−フォルマーの消光係数である。 Here, the Stern-Volmer equation is expressed as Fo / F = 1 + Kqτo [Q] = 1 + Ko [Q]. Where Fo is the emission intensity when no quenching substance is present F is the emission intensity Kq is the quenching reaction rate coefficient τo is the emission lifetime when no quenching substance is present [Q] is the concentration of the quenching substance Ko is the extinction coefficient of Stern-Volmer is there.

[発明の効果] 以上詳述したように、本発明は、光ファイバの先端に
試薬層を施し、この試薬層から生ずる光の強度、スペク
トル、発光寿命などを検知することにより、試薬層に接
する被測定媒体中の気体濃度、pH、各種イオン濃度、温
度などを測定することを目的とした光ファイバセンサに
おいて、試薬層が固定された面が少なくとも一つの曲面
からなることを特徴としたものであるから、試薬層ある
いは/およびその外側の、すなわち被測定媒体と接する
側の選択透過膜を均一な厚さで、より薄く形成すること
が可能となり、かつその表面積も大きくすることができ
る。したがって、感度の上昇、応答速度の向上が得られ
るばかりか、先端部の破損もしにくくなる。
[Effects of the Invention] As described above in detail, the present invention provides a reagent layer at the tip of an optical fiber, and detects the intensity, spectrum, emission life, and the like of light generated from the reagent layer, thereby making contact with the reagent layer. An optical fiber sensor for measuring gas concentration, pH, various ion concentrations, temperature, etc. in a medium to be measured, characterized in that a surface on which a reagent layer is fixed comprises at least one curved surface. Therefore, the reagent layer and / or the permselective membrane on the outer side, that is, the side in contact with the medium to be measured can be formed with a uniform thickness and thinner, and the surface area thereof can be increased. Therefore, not only an increase in sensitivity and an improvement in response speed can be obtained, but also damage to the distal end portion becomes difficult.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明による光ファイバセンサの一実施例を
示す断面図、 第2図ないし第3図は本発明の別の実施例を示す断面
図、 第4図は実施例で用いた光学測定装置の概略図、 第5図は従来技術による比較例を示す断面図である。 主要部分の符号の説明 100……光ファイバ 101……コア 102……クラッド 103……ジャケット 104……試薬層 105……選択透過膜 401……光ファイバ束 402……半球 501……キセノンランプ用電源 502……キセノンランプ 503……非球面レンズ 504……干渉フィルタ(440nm) 505……凸レンズ 506……二色性鏡 507……対物レンズ 509……プローブ 510……被測定媒体(血液) 511……凸レンズ 512……凸レンズ 513……干渉フィルタ(610nm) 514……光電子増倍管 515……高圧電源 516……プリアンプ 517……A/Dコンバータ 518……演算装置(コンピュータ) 519……表示装置(CRT)
FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of an optical fiber sensor according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are sectional views showing another embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an optical system used in the embodiment. FIG. 5 is a schematic view of a measuring device, and FIG. 5 is a cross-sectional view showing a comparative example according to the prior art. Description of Signs of Main Parts 100 Optical Fiber 101 Core 102 Cladding 103 Jacket 104 Reagent Layer 105 Permselective Membrane 401 Optical Fiber Bundle 402 Hemisphere 501 Xenon Lamp Power supply 502 xenon lamp 503 aspheric lens 504 interference filter (440 nm) 505 convex lens 506 dichroic mirror 507 objective lens 509 probe 510 medium to be measured (blood) 511 …… Convex lens 512 …… Convex lens 513 …… Interference filter (610nm) 514 …… Photomultiplier tube 515 …… High voltage power supply 516 …… Preamplifier 517 …… A / D converter 518 …… Computing unit (computer) 519 …… Display Equipment (CRT)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】被測定物に影響される試薬を含む試薬層
と、 該試薬層を先端部に有する光ファイバとを有し、 該光ファイバを通して前記試薬層へ光を導き、該試薬層
から得られる光を該光ファイバを通して導くことによ
り、前記被測定物の性状の測定に使用される光ファイバ
センサにおいて、 前記先端部およびその先端部を覆う試薬層は、ともに曲
面形状に形成されていることを特徴とする光ファイバセ
ンサ。
An optical fiber having a reagent layer containing a reagent affected by an object to be measured and an optical fiber having the reagent layer at a distal end thereof, light is guided to the reagent layer through the optical fiber, and the light is guided from the reagent layer to the reagent layer. In the optical fiber sensor used for measuring the property of the object to be measured by guiding the obtained light through the optical fiber, the tip portion and the reagent layer covering the tip portion are both formed in a curved surface shape. An optical fiber sensor, comprising:
【請求項2】前記光ファイバの先端部の曲面は、前記光
ファイバのコアと実質的に同じ材料で形成されているこ
とを特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。
2. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein a curved surface of a tip portion of said optical fiber is formed of substantially the same material as a core of said optical fiber.
【請求項3】前記光ファイバの先端部の曲面を形成する
材料は、前記光ファイバのコアと実質的に同じ屈折率を
有することを特徴とする請求項1または2に記載の光フ
ァイバセンサ。
3. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the material forming the curved surface of the tip of the optical fiber has substantially the same refractive index as the core of the optical fiber.
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