JP6507969B2 - ガス検知方法及びガス検知装置 - Google Patents
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Description
検知対象が、水素ガスであり、
前記局在型表面プラズモンセンサーが、前記水素ガスの存否により色差を生じる、コア・シェル構造を有する粒子の集合体からなり、
コア部が、少なくとも、赤外領域に表面プラズモン共鳴による最大光吸収ピーク波長を有する物質からなり、前記コア部の平均粒径D1が0.6μm以上で、かつ前記コア部の前記最大光吸収ピーク波長よりも小さく、
シェル部が、当該シェル部に前記水素ガスが吸着又は反応したときに屈折率が変化する物質であり、
前記物質は、酸化タングステンであり、
前記ガス検知方法は、前記屈折率の変化による前記応答スペクトルにおける分光(反射又は吸収)強度(以下、「分光強度」という。)の変化を検出し、更に当該分光強度に基づき色差ΔEを算出することにより水素ガスの存在を検知することを特徴とするガス検知方法。
1.5×D1(μm)<D2(μm)
7.光源より、可視光を前記局在型表面プラズモンセンサーに射出し、
前記局在型表面プラズモンセンサーからの透過、反射又は散乱する光の分光情報を検出手段により検出し、
前記検出手段から得られた分光情報から色差ΔEを信号処理部で算出することにより、
ガスを検知することを特徴とする第1項から第6項までのいずれか一項に記載のガス検知方法。
検知対象が、水素ガスであり、
前記局在型表面プラズモンセンサーが、前記水素ガスの存否により色差を生じる、コア・シェル構造を有する粒子の集合体からなり、
コア部が、少なくとも、赤外領域に表面プラズモン共鳴による最大光吸収ピーク波長を有する物質からなり、前記コア部の平均粒径D1が0.6μm以上で、かつ前記コア部の前記最大光吸収ピーク波長よりも小さく、
シェル部が、当該シェル部に前記水素ガスが吸着又は反応したときに屈折率が変化する物質であり、
前記物質は、酸化タングステンであり、
前記ガス検知装置は、前記屈折率の変化による前記応答スペクトルにおける分光(反射又は吸収)強度(以下、「分光強度」という。)の変化を検出し、更に当該分光強度に基づき色差ΔEを算出することにより前記水素ガスの存在を検知することを特徴とするガス検知装置。
1.5×D1(μm)<D2(μm)
15.可視光を前記局在型表面プラズモンセンサーに射出す光源部と、
前記局在型表面プラズモンセンサーからの透過、反射又は散乱する光の分光情報を検出する検出手段と、
前記検出手段から得られた分光情報から色差ΔEを算出する信号処理部を有することを特徴とする第9項から第14項までのいずれか一項に記載のガス検知装置。
本発明でいうプラズモンとは、光によって励起された金属ナノ粒子における電子の粗密波(=縦波)である。プラズモンは、全波長域の光で生じるわけではなく、光の周波数が金属等における表面電子の自然周波数と一致するときにプラズモン共鳴が発生する。
次いで、本発明のガス検知方法の概要について、図を交えて説明する。ただし、本発明のガス検知方法は、ここで例示する方法にのみ限定されるものではない。
図2は、本発明のガス検知方法で適用する、基材上にコア・シェル型粒子を配置している局在型表面プラズモンセンサーの構成の一例を示す概略断面図である。
本発明において、粒子(P)の構成するコア部の平均粒径や、コア・シェル構造を有する粒子の平均粒径は、公知の粒径測定方法を適用することにより、容易に求めることができる。例えば、光散乱法、電気泳動法、レーザードップラー法等を用いた市販の粒径測定機器、例えば、粒度測定器(マルチサイザーIII、ベックマンコールター社製)を用い、解析ソフト(Beckman Coulter Mutlisizer 3 Version3.51)により求めることができる。また、透過型電子顕微鏡による粒子像撮影を少なくとも100粒子以上に対して行い、この像をImage−Pro(メディアサイバネティクス製)等の画像解析ソフトを用いて統計的処理を行うことによっても求めることが可能である。また、コア・シェル構造を有する粒子を日立ハイテクノロジーズ製 集束イオンビーム(FB−2000A)により断面加工を行い、粒子中心付近を通る面を切り出す。次いで、切り出した切断面より、日立ハイテクノロジーズ製 STEM−EDX(HD−2000)を使用して元素分析を行い、粒子組成の分布評価を行い、コア部とシェル部との組成変化領域を測定し、コア部(11)の平均粒径D1を求めることもできる。
本発明のガス検知方法においては、コア部を構成するプラズモン共鳴周波数のピークを赤外領域に持つ材料として、酸化物半導体を適用することが好ましい形態(実施形態2)である。
ωp=(ne2/εm)1/2
式(1)において、nは電子密度、eは電子の電荷、εは誘電率、mは有効質量を表す。
本発明のガス検知方法においては、実施形態2で限定した酸化物半導体の具体的な物質として、酸化亜鉛(以下、ZnO)であることを好ましい形態である(実施形態3)。
本発明のガス検知方法においては、コア部の平均粒径D1(μm)が、0.60〜1.30μmの範囲内であることが好ましい条件である(実施形態4)。
本発明のガス検知方法においては、上記実施形態4に対し、更に、コア部の平均粒径D1(μm)が、0.75〜1.20μmの範囲内であることが、より好ましい条件である(実施形態5)。
本発明のガス検知方法においては、コア部の平均粒を径D1(μm)、コア・シェル構造を有する粒子の平均粒径をD2(μm)とした時、下記式(1)で規定する条件を満たすことが好ましい態様である(実施形態6)。
1.5×D1(μm)<D2(μm)
実施形態6で規定する条件を満足することにより、製造時におけるシェル部の厚さバラつきに起因する、センサーとしての性能バラつきを抑えることが可能となる。
本発明のガス検知方法においては、光源より、可視光を局在型表面プラズモンセンサーに射出し、前記局在型表面プラズモンセンサーからの透過、反射又は散乱する光の分光情報を検出手段により検出し、前記検出手段から得られた分光情報から色差ΔEを信号処理部で算出することにより、ガスを検知する方法が、好ましい形態である(実施形態7)。
ΔE={(ΔL*)2+(Δa*)2+(Δb*)2}1/2
ここで、ΔL*は分光強度AにおけるL*と分光強度BにおけるL*との差であり、Δa*は分光強度Aにおけるa*と分光強度Bにおけるa*との差であり、Δb*は分光強度Aにおけるb*と分光強度Bにおけるb*との差である。
本発明のガス検知方法においては、局在型表面プラズモンセンサーが、ガス吸着により応答スペクトルの変化が生じるコア・シェル構造を有する粒子が存在している領域とは別の領域に、ガス吸着により、吸収波長の変化が生じない色基準部材を有することが好ましい形態である(実施形態8)。
本発明のガス検知方法においては、シェル部が、生体触媒よりなる酵素で構成されていることが好ましい形態である(実施形態9)。
本発明のガス検知方法においては、シェル部が、ガスクロミック金属で構成されていることが、好ましい形態の一つである(実施形態10)。
本発明のガス検知装置においては、照射された電磁波に対して透過、反射又は散乱が可能であり、検知対象の標的に対する相互作用で照射された電磁波の応答スペクトルに変化が生じる局在型表面プラズモンセンサーを具備したガス検知装置であって、前記局在型表面プラズモンセンサーが、少なくとも、赤外領域に表面プラズモン共鳴による最大光吸収ピーク波長を有する物質からなるコア部と、当該コア部を覆うシェル部より構成されるコア・シェル構造を有する粒子の集合体からなり、前記シェル部が、前記検知対象の標的に対して吸収又は反応することで反射率が変化し、前記コア部の平均粒径D1が0.6μm以上で、かつ前記コア部の前記最大光吸収ピーク波長よりも小さいことを特徴とする。
2 光源
3 検出装置
4 信号処理部
5 色基準部材
11 コア部
12 シェル部
13 基材
D1 コア部の平均粒径
D2 コア・シェル型粒子の平均粒径
G ガス
P コア・シェル型粒子
Claims (16)
- 照射された電磁波に対して透過、反射又は散乱が可能であり、検知対象の標的に対する相互作用で照射された電磁波の応答スペクトルに変化が生じる局在型表面プラズモンセンサーを用いるガス検知方法であって、
検知対象が、水素ガスであり、
前記局在型表面プラズモンセンサーが、前記水素ガスの存否により色差を生じる、コア・シェル構造を有する粒子の集合体からなり、
コア部が、少なくとも、赤外領域に表面プラズモン共鳴による最大光吸収ピーク波長を有する物質からなり、前記コア部の平均粒径D1が0.6μm以上で、かつ前記コア部の前記最大光吸収ピーク波長よりも小さく、
シェル部が、当該シェル部に前記水素ガスが吸着又は反応したときに屈折率が変化する物質であり、
前記物質は、酸化タングステンであり、
前記ガス検知方法は、前記屈折率の変化による前記応答スペクトルにおける分光(反射又は吸収)強度(以下、「分光強度」という。)の変化を検出し、更に当該分光強度に基づき色差ΔEを算出することにより水素ガスの存在を検知することを特徴とするガス検知方法。 - 前記コア部を構成する材料が、酸化物半導体であることを特徴とする請求項1に記載のガス検知方法。
- 前記コア部を構成する材料が、酸化亜鉛であることを特徴とする請求項1に記載のガス検知方法。
- 前記コア部の平均粒径D1(μm)が、0.60〜1.30μmの範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のガス検知方法。
- 前記コア部の平均粒径D1(μm)が、0.75〜1.20μmの範囲内であることを特徴とする請求項4に記載のガス検知方法。
- 前記コア・シェル構造を有する粒子の平均粒径をD2(μm)としたとき、下記式(1)で規定する条件を満たすことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のガス検知方法。
式(1)
1.5×D1(μm)<D2(μm) - 光源より、可視光を前記局在型表面プラズモンセンサーに射出し、
前記局在型表面プラズモンセンサーからの透過、反射又は散乱する光の分光情報を検出手段により検出し、
前記検出手段から得られた分光情報から色差ΔEを信号処理部で算出することにより、
ガスを検知することを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載のガス検知方法。 - 前記局在型表面プラズモンセンサーが、前記ガス吸着により応答スペクトルの変化が生じる前記コア・シェル構造を有する粒子が存在している領域とは別の領域に、ガス吸着により、吸収波長の変化が生じない色基準部材を有することを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載のガス検知方法。
- 照射された電磁波に対して透過、反射又は散乱が可能であり、検知対象の標的に対する相互作用で照射された電磁波の応答スペクトルに変化が生じる局在型表面プラズモンセンサーを具備したガス検知装置であって、
検知対象が、水素ガスであり、
前記局在型表面プラズモンセンサーが、前記水素ガスの存否により色差を生じる、コア・シェル構造を有する粒子の集合体からなり、
コア部が、少なくとも、赤外領域に表面プラズモン共鳴による最大光吸収ピーク波長を有する物質からなり、前記コア部の平均粒径D1が0.6μm以上で、かつ前記コア部の前記最大光吸収ピーク波長よりも小さく、
シェル部が、当該シェル部に前記水素ガスが吸着又は反応したときに屈折率が変化する物質であり、
前記物質は、酸化タングステンであり、
前記ガス検知装置は、前記屈折率の変化による前記応答スペクトルにおける分光(反射又は吸収)強度(以下、「分光強度」という。)の変化を検出し、更に当該分光強度に基づき色差ΔEを算出することにより前記水素ガスの存在を検知することを特徴とするガス検知装置。 - 前記コア部を構成する材料が、酸化物半導体であることを特徴とする請求項9に記載のガス検知装置。
- 前記コア部を構成する材料が、酸化亜鉛であることを特徴とする請求項10に記載のガス検知装置。
- 前記コア部の平均粒径D1(μm)が、0.60〜1.30μmの範囲内であることを特徴とする請求項9から請求項11までのいずれか一項に記載のガス検知装置。
- 前記コア部の平均粒径D1(μm)が、0.75〜1.20μmの範囲内であることを特徴とする請求項12に記載のガス検知装置。
- 前記コア・シェル構造を有する粒子の平均粒径をD2(μm)とした時、下記式(1)で規定する条件を持たすことを特徴とする請求項9から請求項13までのいずれか一項に記載のガス検知装置。
式(1)
1.5×D1(μm)<D2(μm) - 可視光を前記局在型表面プラズモンセンサーに射出す光源部と、
前記局在型表面プラズモンセンサーからの透過、反射又は散乱する光の分光情報を検出する検出手段と、
前記検出手段から得られた分光情報から色差ΔEを算出する信号処理部を有することを特徴とする請求項9から請求項14までのいずれか一項に記載のガス検知装置。 - 前記局在型表面プラズモンセンサーが、ガス吸着により応答スペクトルの変化が生じる前記コア・シェル構造を有する粒子が存在している領域と、ガス吸着により、吸収波長の変化が生じない色基準部材とを有することを特徴とする請求項9から請求項15までのいずれか一項に記載のガス検知装置。
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