JP3985026B2 - 臨界ミセル濃度の検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、界面活性剤の諸性質が臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）を境に急激に変化する点に注目する。このＣＭＣ点を光ファイバ、又は薄膜層から成る光導波路の光伝送路を用いて検出する方法と、その検出装置に関するもので界面活性剤を利用する化学工業の産業分野で利用できる。

これまで、臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）の測定方法としては、電気伝導法、粘度法、色素法、表面張力法、光散乱法などがあるが、電気伝導法はイオン性の活性剤には使用できるが、非イオン性の活性剤では測定できない。粘度法は補正が必要である。色素法は色素の退色による誤差があり、最も一般的な表面張力法は試料溶液表面の流れから生ずる誤差を除去する必要があり、いずれも一長一短で長時間の測定時間を要する。

本発明は、光伝送路を使って従来のＣＭＣ測定法がもつ問題点を解決し、簡便且つ迅速に測れる測定方法とした検出装置を提供しようとするものである。

本発明は、まず光伝送路のセンシング部分（ここでは光ファイバのコアの表面部分または被覆されていない光導波路）のエバネッセント波により、界面の吸着状況を屈折率に基因する反射率の変化により出力光の強度変化として観測する。この出力光の強度変化においては、濃度の増加と共に、光伝送路表面に吸着するその界面活性剤溶液中の分子の数も次第に増加する。更に濃度を濃くすると、その気体−溶液表面は分子でびっしり満たされる。この時点からは光伝送路界面への吸着の度合も急速に強まり、濃度と出力光の関係がそれまでの勾配とは異なり出力光の強度が急上昇する。つまり、ＣＭＣ点を越えると、その後の濃度増加は該溶液中の分子が光伝送路界面への吸着を急に強め始め、その増加により光反射率が増加し、光伝送路の出力の急速な増大として表されることになる。この勾配の不連続変化点がＣＭＣ点となる。

すなわち、本発明の請求項１に記載の臨界ミセル濃度の検出装置は、光伝送路（１）の光導波表面部分（２）に界面活性剤溶液（３）中の分子を吸着させ、界面活性剤の臨界ミセル濃度を検出する装置であって、界面活性剤溶液（３）中の界面活性剤分子を吸着させるための光伝送路（１）の光導波表面部分（２）のセンシング領域と、該センシング領域における光導波表面部分（２）を経由したエバネッセント波によって生ずる出力光の変化を、光伝送路（１）を通して観測し、出力光強度が急激に増加する勾配の不連続変化点を検出することを特徴とする。
請求項２に記載の臨界ミセル濃度の検出装置は、請求項１において、光伝送路（１）として光ファイバ（２１）を用い、光ファイバ（２１）の途中に光導波表面部分（２）として光ファイバ（２１）のコア（２２）の表面を露出させ、光導波表面部分（２）に界面活性剤分子を吸着させることを特徴とする。
請求項３に記載の臨界ミセル濃度の検出装置は、請求項１において、基板（１４）上に界面活性剤溶液（３）を入れる溶液セル（１１）を掘って形成し、光伝送路（１）として基板（１４）よりも高い屈折率の光導波表面部分（２）を形成したことを特徴とする。
請求項４に記載の臨界ミセル濃度の検出装置は、請求項１において、基板（１４）表面に光伝送薄膜層（１５）を形成し光伝送路（１）とし、その上に界面活性剤溶液（３）を入れる溶液セル（１６）を設けたことを特徴とする。

また、本発明の臨界ミセル濃度の検出装置は、次の（Ａ）〜（Ｇ）の特徴も有する。
（Ａ）臨界ミセル濃度の測定方法において、光伝送路（１）に在るエバネッセント波を生じさせることのできる光導波表面部分（２）を界面活性剤溶液（３）に浸して該光導波表面部分（２）を経由した光伝送路（１）を通し、該界面活性剤溶液（３）中の分子の該光導波表面部分（２）への吸着に基づいた出力光の強度変化を計測して、該界面活性剤溶液（３）の臨界ミセル濃度を知るようにした。

（Ｂ）臨界ミセル濃度の測定装置において、光源（４）、光入射結合手段（５０）、エバネッセント波を生じさせることのできる光導波表面部分（２）を有する光伝送路（１）と該光伝送路（１）からの出力光を検出する手段（５１）とを有し、界面活性剤溶液（３）に該光導波表面部分（２）を浸して、該光導波表面部分（２）を経由する光伝送路（１）からの出力光の強度変化を測定する。

（Ｃ）前記（Ｂ）の臨界ミセル濃度の測定装置において、光入射結合手段（５０）において、光源（４）として凸レンズ（９）を有する半導体レーザダイオードまたは発光ダイオード等の該光源（４）を用い、該光源（４）と先端に凸レンズ（１０）を備えた光伝送路（１）とを組み合わせて光入射結合手段（５０）とした。

（Ｄ）前記（Ｂ）の臨界ミセル濃度の測定装置において、光伝送路（１）として光ファイバ（２１）を用い、光導波表面部分（２）として光ファイバ（２１）のコア（２２）の表面を利用し、該光ファイバのコア（２２）の端面に金属反射膜（８）を設けた。

（Ｅ）前記（Ｂ）の臨界ミセル濃度の測定装置において、光伝送路（１）として光ファイバ（２１）を用い、該光ファイバ（２１）の途中に光導波表面部分（２）としてコア（２２）の表面を露出させ、クラッド（２３）を有する光ファイバ（２１）の終端面に金属反射膜（８）を設けた。

（Ｆ）前記（Ｂ）の臨界ミセル濃度の測定装置において、基板（１４）に凹状の溶液セル（１１）と光伝送路（１）とを形成し、該溶液セル（１１）中で光伝送路（１）の光導波表面部分（２）と界面活性剤溶液（３）とが光結合するようにした。

（Ｇ）前記（Ｂ）の臨界ミセル濃度の測定装置において、基板（１４）上に光伝送路（１）としての光伝送薄膜層（１５）を設け、その上に界面活性剤溶液（３）を入れる溶液セル（１６）を装備した。

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。本発明は、臨界ミセル濃度の測定に液体−固体界面に対する吸着現象を利用している。この吸着現象をエバネッセント波と溶液の屈折率、つまり溶液−固体界面への吸着による反射率の変化を利用して、出力光の急激な変化を生じさせる濃度の値（ＣＭＣ値）が現れることを使っている。光伝送路の界面を利用してセンシングされた信号はそのまま光伝送路を伝わる。減衰が少なく電磁誘導の影響を受ず、遠隔測定が行える。界面活性剤溶液のこのＣＭＣ測定方法を利用した測定装置には、次のような効果がある。

１．本装置は、迅速且つ簡便な測定ができる。
２．図２に示された結果から明らかなように、ＣＭＣ値がこの曲線の屈曲点として明確に得られる。
３．試料を調整の際、表面張力や光散乱法のような微妙な注意を払わなくてよい。
４．本測定方法を利用した測定装置は、イオン性界面活性剤に限らず非イオン性のものまで適用できる。
５．光伝送路を使っていることにより、離れた場所での信号処理、コンピュータ制御が行える。
６．溶液−固体の界面を構成する光伝送路は、ガラス材質に限らずプラスチックやテフロン（登録商標）などの合成樹脂材、光を通すセラミックや半導体の無機材料も使うことができる。

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１において、光伝送路１として光ファイバを用いた場合、センサ部分はクラッドを剥がしコア２２をむき出しにし、光導波表面部分２とする。界面活性剤溶液３中のこの光導波表面部分２（コア２２の表面）がセンシング領域となる。界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを使用した。ＣＭＣの直前は、例えばプラスチックコアのように一部吸着するものもあるが、単調な出力光の増加は起きない。ＣＭＣ点を越えると光ファイバのコア界面への吸着が急速に進み、その結果反射率が増加し、図２に示すように出力光が急に増大することになる。この場合３×１０^−３（ｍｏｌ／ｌ）のＣＭＣ値を得た。この値は文献値から得られるＣＭＣ値と一致している。

図１において光源４からの入射光線の入射角を選ぶことにより、エバネッセント波の反射回数と同時に入射光に対する最適反射率の出力光を選択できる。

図３に示される実施例では、光源４として凸レンズ９を有する半導体レーザダイオードと、凸レンズ１０又は凸レンズ状を備えた光ファイバ２１により光入射手段５０を形成できる。この場合は、入射角度を変えることなく、レンズの焦点距離と両者間の置かれた距離により最適測定条件が決まる。

図４に示される実施例では、光ファイバ２１のクラッド２３を剥がしたコア２２の端面に金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）又は白金（Ｐｔ）等を０．２μｍを蒸着し金属反射膜８とする。出力信号としての出力光は反射光をスプリッターを通して検出するものである。

図５に示される実施例では、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）などの金属反射膜８とコア２２の表面との間に、クラッド２３を剥がさない光ファイバ２１を残しておいたものである。金属反射膜８が弱い場合は、光ファイバ２１と金属反射膜８とを樹脂等、例えばエポキシ樹脂で被覆し、金属反射膜８を物理的、化学的に保護することができる。

図６に示される実施例では、基板１４に、例えば板ガラスに溶液セル１１を機械加工又はエッチングで掘って作る。光伝送路１としてこの板ガラスより高い屈折率のガラスを、例えばスパッタにより光導波表面部分２とし、溶液セル１１に界面活性剤溶液３を満たす。光の入力、出力は光カプラー１００を介して行う。

図７に示される実施例では、基板１４に、例えば板ガラスをイオン交換して表面に１μｍ前後の光伝送薄膜層１５を形成したものである。この上に測定用の溶液セル１６を、例えば陽極酸化法又は接着剤で取り付ける。光の入力、出力はカプラープリズム２００を介して行う。

本発明の測定装置を用いれば、ＣＭＣ値がこの曲線の屈曲点として明確に得られ、迅速且つ簡便な測定ができる。また、試料を調整の際、表面張力や光散乱法のような微妙な注意を払わなくてよい。
さらに、イオン性界面活性剤に限らず非イオン性のものまで適用でき、光伝送路を使っていることにより、離れた場所での信号処理、コンピュータ制御が行える。

本発明の臨界ミセル濃度（ＣＭＣ）の測定装置の一実施例を示す概略図である。 規格化された出力光の強さと界面活性剤濃度の関係を示す。ガラスファイバ（ＰＣＳ）をドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム溶液に浸した場合の結果である。 光入射結合部の実施例を示す断面図である。 センシング部の一実施例を示す図である。 センシング部の他の実施例を示す図である。 センシング部の他の実施例を示す図である。 センシング部の他の実施例を示す図である。

符号の説明

１・・・光伝送路
２・・・光導波表面部分
３・・・界面活性剤溶液
８・・・金属反射膜
９、１０・・・凸レンズ
１１、１６・・・溶液セル
１４・・・基板
１５・・・光伝送薄膜層
２１・・・光ファイバ
２２・・・コア
２３・・・クラッド
５０・・・光入射結合手段
５１・・・出力光を検出する手段
１００、１００Ａ、１００Ｂ・・・光カプラー
２００、２００Ａ、２００Ｂ・・・カプラープリズム

Claims (2)

1. 光伝送路（１）の光導波表面部分（２）に界面活性剤溶液（３）中の分子を吸着させ、界面活性剤の臨界ミセル濃度を検出する装置であって、
   界面活性剤溶液（３）中の界面活性剤分子を吸着させるための光伝送路（１）の光導波表面部分（２）のセンシング領域と、
   該センシング領域における光導波表面部分（２）を経由したエバネッセント波によって生ずる出力光の変化を、光伝送路（１）を通して観測し、
   出力光強度が急激に増加する勾配の不連続変化点を検出し、
   基板（１４）上に界面活性剤溶液（３）を入れる溶液セル（１１）を掘って形成し、
   光伝送路（１）として基板（１４）よりも高い屈折率の光導波表面部分（２）を形成したことを特徴とする臨界ミセル濃度の検出装置。
2. 光伝送路（１）の光導波表面部分（２）に界面活性剤溶液（３）中の分子を吸着させ、界面活性剤の臨界ミセル濃度を検出する装置であって、
   界面活性剤溶液（３）中の界面活性剤分子を吸着させるための光伝送路（１）の光導波表面部分（２）のセンシング領域と、
   該センシング領域における光導波表面部分（２）を経由したエバネッセント波によって生ずる出力光の変化を、光伝送路（１）を通して観測し、
   出力光強度が急激に増加する勾配の不連続変化点を検出し、
   基板（１４）表面に光伝送薄膜層（１５）を形成し光伝送路（１）とし、
   その上に界面活性剤溶液（３）を入れる溶液セル（１６）を設けたことを特徴とする臨界ミセル濃度の検出装置。
   

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