JPH02193045A - Chemical material sensor - Google Patents

Chemical material sensor

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Publication number
JPH02193045A
JPH02193045A JP21279289A JP21279289A JPH02193045A JP H02193045 A JPH02193045 A JP H02193045A JP 21279289 A JP21279289 A JP 21279289A JP 21279289 A JP21279289 A JP 21279289A JP H02193045 A JPH02193045 A JP H02193045A
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JP
Japan
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film
sensor
chemical substance
light
dye
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Application number
JP21279289A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yasuki Yoshida
泰樹 吉田
Noriyoshi Nanba
憲良 南波
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To enable measurement of a thickness of a sensor film by forming the sensor film containing a compound sensitive to a chemical material on a base body through a pigment film to enable the control of the thickness of the sensor film. CONSTITUTION:A sensor film 12 containing a compound sensitive to a chemical material is formed on a transparent base body 11 through a pigment film 13. A light emitting element 21 and a light receiving element 22 are arranged on the back side of the base body 11 and housed integral in a casing 30. Therefore, light emitted from the light emitting element 21 is made incident from the back side of the base body 11 and the current mirror reflection factor of the light is captured with a light receiving element 22 provided also on the back side of the base body 11 to detect and determine a chemical material to be inspected from a change in the reflection factor. In this manner, a thickness of the sensor film 12 can be controlled to bring the sensor film into contact with a fluid to be inspected containing the chemical material to be inspected thereby enabling measurement of the chemical material to be inspected according to the thickness of the film.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

〈産業上の利用分野〉 本発明は、化学物質を検知、定量することが可能な化学
物質センサに関する。 〈従来の技術〉 外界に存在する特定の化学物質を選択的に吸着させ、ま
たはそれと選択的に反応し、そのことによる抵抗率や誘
電率等の電気信号の変化から化学物質の種類と濃度を検
知する化学センサが知られている。 このような化学センサ材料には、半導体、セラミックス
、ポリマー等が挙げられ、実際、水蒸気、各種ガス、各
種イオン等の検知、定量に適用されている。 また、コレステリック液晶を適用したセンサが知られて
いる
<Industrial Application Field> The present invention relates to a chemical substance sensor capable of detecting and quantifying chemical substances. <Conventional technology> It selectively adsorbs or selectively reacts with specific chemical substances existing in the outside world, and the type and concentration of the chemical substance can be determined from the resulting changes in electrical signals such as resistivity and dielectric constant. Chemical sensors for detection are known. Such chemical sensor materials include semiconductors, ceramics, polymers, etc., and are actually applied to the detection and quantification of water vapor, various gases, various ions, etc. Sensors using cholesteric liquid crystals are also known.

【特開昭53−76094号、特開昭58−426
85号、塚原著、メカトロニクス増刊、旦−L】」−、
103(1981)、センサ技術、 LLLL、 62
 (1987)同l−工」−1」−、97(1987)
、同7(12)。 87  (19B?)]。 このものは、液晶の色変化を利用したものである。 一方、最近のOA機器等の発達に伴い、複写機等、電界
の強い環境下でも安定かつ正確に動作する各種センサが
望まれているため、光学的な検知、定量法を利用したセ
ンサが有利である。 このなかで、ある種の色素や化合物とガス物質とが反応
したり、電荷移動錯体を形成したりすることで、光吸収
あるいは蛍光(蛍光の消光)量が変化することを利用し
た光学的な検知、定量法が知られている。 例えば、N、N−ジメチルアニリンと02の反応による
変色を利用したもの(特開昭57−100337号)、 ポリ−2−バラ(メタクロイルアミノフェニル)−5−
フェニル−1,3−オキサゾールとN Hsやアミン類
の反応による変色を利用したもの(特開昭60−202
334号)、トリス(4,7−ジフェニル−1,10−
フェナントロリン)Ru錯体とO3の反応による蛍光の
変化を利用したもの(特開昭61−178646号)が
ある。 さらには、NH,によるブロムチモールブルー膜での吸
収変化を利用したもの(日経産業新聞、昭和62年12
月14日発行)、NO。 によるスクアリリウム色素および脂肪酸を成膜化合物と
するLB膜での蛍光変化を利用したもの〔日本化学会春
季年会予稿集3nHO7(1988年)、日経産業新聞
、昭和63年6月10日発行]なども挙げられる。 また光反射を利用したものの例は少ないが、金属膜ある
いは金属塩を適用したものが検討されている。 例えば、亜硫酸パラジウムカリウムとCOの反応を利用
したもの(特開昭58−79141号)、HgBraと
AsHsの反応を利用したもの(特開昭60−4264
5号) 金属膜のSF、による腐蝕を利用したもの(特
開昭62−8066号)等である。 また、湿度センサとしては、光ファイバまたは光ファイ
バに吸湿性物質をクラッドとして設けて屈折率の変化を
利用したもの(特開昭61−217744号、特開昭6
2−9255号、特開昭62−204143号等)、吸
湿によって変色する無機化合物等を利用したもの(特開
昭54−80190号、特開昭61−139478号)
、 吸湿性樹脂などによる吸収係数の変化や散乱強度変化あ
るいは発色性を利用したもの(特開昭56−67738
号、特開昭56−110039号、特開昭58−216
936号)、さらには、凹凸を有する透明体と吸湿剤と
を用いて乱反射性の変化を利用したもの(特開昭59−
204742号)、あるいは異なる屈折率を有する2種
の誘電体層からなる鏡の反射光と透過光を利用したもの
(特開昭62−39744号)などが提案されている。 ただし、色素膜の反射を利用するものの提案はない。 〈発明が解決しようとする課題〉 上記の半導体、セラミックス、ポリマー等を適用したセ
ンサでは、一般に、膜が厚いため、被検知ガスの拡散過
程があり応答が遅いという欠点がある。 また、リフレ
ッシュが必要なものが多い。 さらには、抵抗値の変化
を検出する場合が多く、このように電気的手段によるた
め、強電界の影響を受は易く、経時変化が大きい。 また、素子の製造方法も複雑な工程を経るものが多(、
検出回路等も複雑となるものが多い。 一方、コレステリック液晶を適用したセンサでは、ピッ
チの変化による、色変化を利用しているため、光反射の
波長分布が多様に変化して一定しないこと、感度が低い
こと、温度依存性が大きいこと、等の欠点がある。 また、色素等を用いた吸収あるいは蛍光の変化を利用す
る場合には、検知、定量しようとするガス物質等の被検
物質と選択的に結合または反応し得る色素等(こ限定さ
れるという欠点がある。 このような素子の製造に際し
ては、上記のLB膜での蛍光変化を利用したもののよう
に、LB膜を適用するとき色素分子を高度に配向させる
必要があったり、またブロムチモールブルー膜での吸収
変化を利用したもののように金属反射膜を設けたりする
必要があったりするなど、高度あるいは複雑な工程が必
要となる場合が多い。 さらに、金属膜あるいは金属塩を適用したものでは、反
応がいずれも不可逆的であり、またこのものでもセンサ
材料とガス物質等の被検物質との組合せは限定されると
いう欠点がある。 本発明は、本発明者は、′上記の問題に対処するために
、先に、「色素と化学物質感受性化合物とを含み、この
化学物質感受性化合物が被検化学物質と結合することに
よって膜の光反射率が変化するように構成したことを特
徴とする化学物質センサ。」 (特願昭63−2194
34号)、および「基体と、この基体上に形成したセン
サ膜と、発光素子と受光素子とを有し、前記センサ膜が
色素と化学物質感受性化合物とを含み、この化学物質感
受性化合物が被検化学物質と結合することによって膜の
光反射率が変化するように構成し、この光反射率変化を
前記受光素子によって検出し、被検化学物質を検知、定
量するように構成したことを特徴とする化学物質センサ
、」(特願昭63−219921号)を提案している。 しかし、このものにおいては、化学物質感受性化合物と
色素とを同−膜に成膜する必要があるため、これらの間
で相溶性が必要となり、対象となる被検化学物質が限定
されるという問題がある。 また、このようなことがら
色素の含有量が制限され、検出感度が十分に得られない
という問題も生じる。 本発明は、被検化学物質の選択の巾が広く、また検知、
定量する際の精度が高く、応答が速く、素子構成が容易
で耐久性に優れかつコスト面でも有利な化学物質センサ
を提供することを目的とする。 く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために、本発明の化学物質センサは
、基体と、この基体上に色素膜と積層したセンサ膜を有
し、前記センサ膜が化学物質感受性化合物を含み、この
化学物質感受性化合物が被検化学物質と結合することに
よって前記色素膜の光反射率が変化するように構成した
ものである。 上記において、センサ膜は、色素膜を介して、基体上に
積層されていることが好ましく、さらに発光素子と受光
素子とを有し、色素膜の基体をとおしての光反射率変化
をこの受光素子によって検出し、被検化学物質を検出、
定量するように構成することが好ましい。 色素膜による光反射は膜内の多重反射によるものであり
、色素−センサ膜界面の影響を強く受ける。 このため
、センサ膜中の化合物が被検化学物質と結合することに
より、屈折率、膜厚などが変化して色素膜反射率は太き
(変化する。 金属膜では、入射光表面での反射率が高
(、多重反射効果が小さいため、好ましくない。 多重
反射膜であれば色素膜に限らず、積層誘電体膜なども使
用できる。 〈作用〉 本発明のセンサ膜は、化学物質感受性化合物を含み、こ
の化学物質感受性化合物は被検化学物質と結合すること
によって膜物性が変化し、この膜物性の変化がセンサ膜
に積層された色素膜の光反射率、特に鏡面反射率を変化
させることとなる。 く具体的構成〉 以下、本発明の構成について、詳細に説明する。 本発明において、センサ膜は色素膜と積層した状態で基
体上に形成される。 このように、本発明においては、センサ膜と色素膜とを
別個に積層して設けているため、特願昭63−2194
34号、同63−219921号に記載のように、化学
物質感受性化合物と色素とを同−膜に含有させたものと
異なり、化学物質感受性化合物と色素との相溶性等を考
慮することがない、 従って、色素膜における色素の含
有量を大きくすることができ、色素膜の反射率変化が十
分となり、十分な感度を得ることができる。 また、色
素膜の膜厚をコントロールすることによって所望の感度
を得ることができる。 本発明においてセンサ膜は色素膜と積層されるが、基体
上にセンサ膜が色素膜を介して形成されることが好まし
い。 このように形成することによって、基体裏面側からの検
出が可能となる。 本発明における色素膜は、その鏡面反射率が、特に可視
〜赤外域のいずれかの波長において、20°以下、特に
5°の角度で測定したとき、10%以上、より好ましく
は20%以上の、いわゆるブロンズ光沢を有することが
好ましい。 また、本発明における色素膜は、その吸収率が70%以
下、好ましくは50%以下であるとよく、色素膜におけ
る反射の極大波長(λRmaヨ)が吸収の極大波長(λ
A 、、、)と異なるものであることが望ましく、特に
、んR1□−λA、1.≧50nmであることが望まし
い。 このような色素膜を用いることにより、実質的に十分な
感度が得られる。 反射率が10%未満となると、被検
化学物質を反射率変化として検出することが困難となる
からである。 20°以下の鏡面反射による反射率で測定することによ
って感度が高くなり、素子とした場合のコンパクト化を
はかることができる。 このような色素膜を構成する色素としては。 反射率が10%以上のものであれば特に制限はないが、
シアニン色素、アズレニウム色素、ビリリウム色素、ス
クアリリウム色素、クロコニウム色素、キノン・ナフト
キノン色素、金属錯体色素、フタロシアニン色素、ナフ
タロシアニン色素等が具体的に挙げられる。 また、シアニン色素などのポリメチン色素を用いるとき
は、−重項酸素クエンチャーを混合して用いてもよく、
この場合のクエンチャ−としては、金属錯体、特にNi
錯体、例えばジチオール系(特にビスフエニルジチオー
ル系)のNi錯体や、アミン化合物であることが好まし
い。 また、クエンチャ−のアニオンとシアニン色素カチオン
とのイオン結合体を用いてもよい。 本発明におけるセンサ膜に含まれる化学物質感受性化合
物は、特定の化学物質と可逆的または非可逆的に結合す
る化合物であり、被検化学物質に応じて選択すればよい
。 より具体的には、化学物質感受性化合物は、目的とする
被検化学物質と分子間にて種々の結合状態をもちつるも
のであり、この結合には、種々の反応、あるいは共有結
合、イオン結合、配位結合等の種々の結合の他、吸着や
吸収等が包含されるものである。 そして、この化学物質感受性化合物と被検化学物質の結
合および脱離は可逆的であることが好ましいが、非可逆
的であってもよい。 被検化学物質を水とするときには、化学感受性化合物と
しては、親水性化合物を用いる。 親水性化合物としては、溶解パラメータ(solubi
lity parao+eter S P値δ=(CH
D)”2CHD 、凝集エネルギー密度cohesiv
eenergy density)が17 (MJ/m
”)””以上、特に17〜40 (MJ/m”)”” 
 ヨ’)好* L < ハ18〜40 (MJ/m”)
””  サラ4.:好ましくは20〜30(MJ/a+
”) ””のものが好適である。 溶解パラメータは下記に従い計算され、あるいは実測値
から算出される。 A、蒸発熱から計算 δ= (E v / y ) l/I Ev:モル蒸発エネルギー(J/mol)、■:モル体
積(諷”/mol)から算出する。 ただし、高分子の場合は気化しないので、下記B、Cに
従う。 B、相溶性から実測 (1)膨潤度 特に橋がけした三次元高分子では、溶媒不溶であるので
、膨潤の度合を観察し、最も膨潤効果の大きい溶媒のs
p値を高分子のsp値とする(D、Mangaraj、
 MacroIlol、 cheII+、、 65.2
9(1963))。 (2)粘度 相溶性の良い溶媒中では、高分子鎖は広がっているので
粘度が高(なる、 各種溶媒にて固有粘度ηを測定して
、用いた溶媒のsp値に対してプロットし、極大を示す
sp値を高分子のsp値とする(D、Mangaraj
、 S、Patra andS、B、Rath、 Ma
klomol、 cheIl、、 67.84(196
3)。 65.39(1963)、G、M、Bistow an
d W、F、Watson。 Trans、 Faraday、 Soc、、54.1
742(19581)。 (3)濁点滴定法 高分子溶液にその高分子の貢溶媒を滴下していき、濁点
までの滴下量と、その貢溶媒のsp値とから高分子のs
p値を決定する(K、 W、 5uhand D、H,
C1arke、 J、Polym、 Sci、、5.1
671(1967)、 K、W、Suh and J、
M、Corbett、 J、Apl)l。 Po1yn+、 Sci、、12.2359(1968
)) 。 C8化学構造からの計算 Smallの方法(P、Small、 J、Appl、
 Chem、、3゜71(1953))より好ましくは
Fedorsの方法(R,F、Fedors、 Pol
ym、 Eng、 Sci、、14147(1974)
)により、原子および原子団の蒸発エネルギーΔeiお
よびモル体積Δviから計算により求めればよい。 本発明では、用いる親水性化合物の1種以上の上記A、
B、Cのいずれかから算出されたsp値が17 (MJ
/s”)””以上のものであればよい。 また、用いる親水性化合物の1種以上は、それを単層膜
として設層したとき、水との接触角が701以下、特に
lO〜70°であることが好ましい。 次に、このような化学物質感受性化合物のうち親水性化
合物の具体例としては、以下のようなものがある。 ■、親水性高分子化合物 特に好ましいsp値あるいは水との接触角をもつために
、極性基をもつ親水性の高分子化合物が好ましい。 極性基含有高分子化合物としては、カルボニル基、エー
テル基等の酸素含有高分子化合物、NH基含有高分子化
合物の他、シアノ基、ハロゲン等を含有する高分子化合
物が挙げられ、以下のようなものがある。 a)吸水性の高分子アニオン塩 (特に可逆的に吸水する塩) 例えば、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸ナトリ
ウム、ポリメタアクリル酸ナトリウム、ポリ(4−スチ
レンスルホン酸)ナトリウム、ポリビニルリン酸ナトリ
ウム、ポリビニルリン酸アンモニウム、ポリグルタミン
酸ナトリウムなど。 b)高分子電解質 例えば、ポリエチレンイミン塩酸塩、ポリエチレンイミ
ン/ポリスチレンスルホン酸、ポリN−メチル塩化ピリ
ジニウムなど。 C)熱硬化性樹脂 フェノール樹脂、フラン樹脂、アルキド樹脂、エポキシ
樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂など。 d)熱可塑性樹脂 ポリ酢酸ビニル、ポリアクリレート、ポリメタクリレー
ト、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニ
ルアルコール、ボリエーテル、ポリアミド、ポリエステ
ル、ポリウレタン、ポリビニルケトン、ポリ塩化ビニリ
デン、ポリビニルピロリドン(PVP)、ポリアルキレ
ン(エチレン)グリコール、ポリアクリルアミド、PV
A−エチレン共重合体など。 e)セルロース系 アセチルセルロース、トリアセチルセルロース、ニトロ
セルロース、アセチルブチルセルロース、プロピオニル
セルロース、エチルセルロース、カルボキシメチルセル
ロースなど。 f)天然高分子およびその誘導体 カゼイン、アミロース、ポリグリシン、変性デンプン(
グラフト化デンプン)など。 g)これらのブレンドまたは共重合体 なお、これらは架橋して三次元構造をもっていてもよい
。 これら高分子化合物は、膜物性が良好で、しかも耐水性
が高いことで好ましく用いられる。 II 、親水性低分子有機化合物 h)吸水性の有機金属塩 (特に可逆的に吸水する塩) 例えば、酢酸ナトリウム、酒石酸ナトリウムカリウム、
乳酸ナトリウムなど。 III 、親水性無機化合物 i)吸水性の無機金属塩 (特に可逆的に吸水する塩) 例えばL i C12t、Ca C2m 、 COC(
l z等の金属ハライドなど。 j)親水性ゲル 例えば、コロイダルシリカ、あるいはシリコンアルコキ
シド等のシリケート、チタネート、アルミネート、ジル
コネート等の加水分解物など。 これら化合物は1種または2種以上用いてもよい。 そ
して、このとき水蒸気を検出する湿度センサとすること
ができる。 次に、アンモニアを被検化学物質とするときには、ブロ
ムチモールブルー チモールブルー アクリジンオレン
ジ、ポリ−2−パラ(メタクロイルアミノフェニル)−
5−7エニルー1.3−オキサゾール等を化学物質感受
性化合物として用いればよい。 さらに、Na”  K”等のアルカリ金属やアルカリ土
類金属のイオンやAg”等の各種金属イオン等を被検化
学物質とするときにはクラウンエーテルを用いる。 クラウンエーテルとしては、ベンゾ−15−クラウン5
(被検化学物質HNa”)、ジベンゾビリジノー18−
クラウン−6(被検化学物質;各種金属イオン)、クリ
プトフィックス222CC(メルク製)(被検化学物質
;に0)、長鎖を導入したアザクラウンエーテル(被検
化学物質;Ag”)(例えば、 など)等が使用可能である。 その他、種々のガスに対応するものとしてコレステリッ
ク液晶、0□を被検化学物質とするものとしてピレン、
N、N−ジメチルアニリン、トリス(4,7−ジフェニ
ル−1,10−フェナントロリン)Ru錯体、(CβC
H2CHI)tsまたは(CI2CHz CHi)a 
NHを被検化学物質とするものとしてトリフェニルメチ
ンニュートラルレッドなどがそれぞれ挙げられる。 本発明においては、前述のように、センサ膜で化学物質
感受性化合物と被検化学物質とが結合することによって
、センサ膜に積層され色素膜の光反射率が変化すること
を利用して被検化学物質の検出を行っている。 この場合の光反射率の変化は、前述のように、膜厚、膜
密度、屈折率等の膜物性の変化に起因すると考えられる
。 すなわち、本発明では、化学物質感受性化合物と被検化
学物質との結合に応じた膜物性の変化を高鏡面反射率を
示す色素膜の光反射率の変化によってとらえ、被検化学
物質を定量するものである。 より具体的に説明すれば、親水性ポリマー吸水性塩、親
水性ゲル等の親水性化合物においては水蒸気により水和
が起こったり、水が吸着したり、吸収されたりすること
によると考えられる。 また、ブロムチモールブルー等においてはアンモニアと
の間で何らかの相互作用、究極的には電荷移動錯体の形
成等が起こることによると考えられる。 クラウンエーテルの場合はアルカリ金属やアルカリ土類
金属等のイオンを包接することによると考えられる。 上記における結合は、可逆的であっても非可逆的であっ
てもよく、膜の光反射率を変化させるものであればよい
。 ただし、センサの繰返し使用の点では可逆的である
ことが好ましい。 上記のように光反射率の変化のみを利用してもよいが、
場合によっては光の透過率を利用することもできる。 
また、単色光での反射率、透過率変化の他、測定波長に
巾を持たせ、反射光ないし透過光の光量変化で検知する
ことができる。 この場合には、光源としてLEDが使
用でき、また変化光量も太き(なる点で好ましい。 このような場合、前記のとおり、鏡面反射を利用するこ
とが好ましい。 本発明における色素膜は色素のみから構成されていても
、またニトロセルロース等の自己酸化性の樹脂、ポリス
チレン、ナイロン等の熱可塑性樹脂などのバインダーが
含まれていてもよい。 この場合の色素の含有量は60
〜100wt%、好ましくは90〜100wt%とする
のがよい。 このような含有量とすることにより、膜物性の変化を色
素膜の光反射率として十分反映することができる。 また、色素膜の厚さは、所望とする感度等に応じて選択
すればよいが、400〜200OA程度とする。 本発明におけるセンサ膜は、化学物質感受性化合物のみ
から成膜可能なときは、それのみで形成してもよ(、好
ましい態様である。 具体的に、湿度センサとする場合には、特に、前記例中
において、特に親水性高分子化合物では、良好な膜物性
を有する塗膜が得られる。 またアンモニアを、被検化学物質とする場合には、ポリ
−2−パラ(メタクロイルアミノフェニル)−5−フェ
ニル−1,3−オキサゾール等も同様である。 なお、他の化合物では塗布あるいは蒸着により成膜すれ
ばよい。 また、同様の化学物質感受性化合物同1士を併用してセ
ンサ膜を作成することも可能である。 この場合、例えば高分子の化学物質感受性化合物にバイ
ンダ機能をもたせてもよい。 さらには、化学物質感受性化合物としての機能を阻害し
ないような各種ポリマー等のバインダを併用してもよい
。 上記における化学物質感受性化合物の含有量50〜10
0wt%、好ましくは80〜loOwt%とするのがよ
い。 このような含有量とすることにより、センサ膜の膜物性
の変化が十分となる。 また、この場合のセンサ膜は0.05〜1007171
、好ましくは0.1〜5−とするのがよい。 このよう
に薄膜とすることが可能となり、センサとしての応答が
速くなる。 本発明における基体は、材質的に特に制限はないが、実
質的に透明であることが好ましい、 基体の裏面側から
の検知が可能となるからである。 具体的には、ガラスや、硬質塩化ビニル、ポリエチレン
テレフタレート(PET) 、ポリオレフィン、ポリメ
チルメタクリレート(PMMA) 、アクリル樹脂、エ
ポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリサルフォン樹
脂、ポリエーテルサルフォン、メチルペンテンポリマー
 ビスフェノールA−テレフタル酸共重合体等の各種樹
脂が挙げられる。 このような基体の形状は特に制限はないが、通常、板状
、フィルム状とする。 本発明の化学物質センサを製造するには、基体上に色素
膜を形成し、その上にセンサ膜を設層すればよい。 色素膜およびセンサ膜の設層は、色素の塗布液および化
学物質感受性化合物の塗布液をそれぞれ調製し、その塗
膜を形成することにより行えばよい。 塗膜形成の際の塗布はスピンコード、ディッピング、ス
プレー等によればよい。 塗布液の調製に際して用いる溶媒は、色素あるいは化学
感受性化合物が可溶なものであれば特に制限はない。 具体的には、ケトアルコール系(脂肪族ケトアルコール
、特にジアセトンアルコール、アセトール、アセトイン
、アセトエチルアルコール等)、R,O−R,−OH[
ここでR1は低級アルキル基(特に炭素原子数1〜5)
、R2は低級アルキレン基(特に炭素原子数2〜5)を
表わす、】で示されるエーテル系、メチルエチルケトン
、メチルイソブチルケトン、シクロヘサキサノン等のケ
トン系、酢酸ブチル、酢酸エチル、カルピトールアセテ
ート、ブチルカルピトールアセテート等のエステル系、
メチルセロソルブ、エチルセロソルブ等のエーテル系な
いシトルエン、キシレン等の芳香族系、ジクロロエタン
等のハロゲン化アルキル系、水、アルコール等が挙げら
れる。 このようななかで、化学物質感受性化合物に)2度セン
サとなる吸水性の高分子アニオン塩を用いるときは以下
の方法でセンサ膜を作製することができる。 すなわち、化学物質感受性化合物が陰イオン基を有し、
この陰イオン基と対をなすNa、NH,等のプラスのカ
ウンターイオンを有する可溶性の塩である場合は、上記
のようにして塗膜を形成した後、プラスのカウンターイ
オンを塩交換すると同時に金属ハライドを膜中に導入し
てもよいというものである。 このような可溶性の塩体を塩交換により不溶性とするこ
とによって被検化学物質の水分等に対してきわめて安定
であるなど、塗膜の安定性が向上する。 また、過剰の
CaCl2等の金属ハライドを塗膜中に残すことによっ
てセンサ膜としての機能を向上させることができる。 従って、塗膜中にはCaCl2□等の金属ハライドがこ
の形で存在することが必要であり、塩交換液に浸漬後そ
のまま乾燥して用いるか、交換後、水あるいは精製溶剤
で洗浄後、改めて塩交換液と同様の構成の別の塩溶液に
浸漬してもよい。 塩交換に用いるCaCβ3等の溶液は1〜10wt%、
好ましくは2〜5wt%であればよい。 塩交換液に用いる溶媒としては、塗布溶媒と同様のもの
が挙げられる。 ただし、塩交換して得られる高分子ア
ニオン塩および基体が難溶であり、かつ塩交換を行うカ
ウンターイオンの塩を溶解するものであることが必要で
ある。 塩交換は、温度O〜60℃で1〜60分程度行えばよい
。 この場合の膜厚は0.05〜0.14とするが、Ca 
C42a量等により適宜選択できる。 本発明において色素膜、センサ膜を形成するには、蒸着
によってもよい。 すなわち、色素または化学物質感受性化合物を蒸着源と
して公知の方法に従って行えばよい。 このとき適用できる色素としては、フタロシアニン色素
、ナフタロシアニン色素、スクアリリウム色素、クロコ
ニウム色素等が挙げられる。 本発明においては、さらにセンサ膜の膜面を通気性保護
板でエアーサンドインチ化してもよく、膜面に通気性保
護板を設置してもよい。 また、膜面に特定の化学物質が通過可能なフィルターを
設けてもよい。 本発明においては、基体に色素膜、センサ膜を形成後、
これを所望の寸法に打ち抜いたり、切断したりしてもよ
い。 この方法は量産性の上で好ましい。 また、基体にガラスファイバを用い、その端面に色素膜
、センサ膜を形成してもよい。 さらにはこのものを複
数束ねて用いてもよい。 また束ねて端面を研磨し、端面に色素膜、センサ膜を設
層してもよい。 本発明の化学物質センサにおいては、センサ膜の膜厚の
制御が可能であり、被検化学物質を含む被検流体と接触
させることにより、膜厚に応じて被検化学物質をppb
−100%の範囲で測定することが可能となる。 本発明の化学物質センサの好ましい態様としては、例え
ば第1図に示される構成のものが挙げられる。 このものでは、透明な基体11上に、化学物質感受性化
合物を含むセンサ膜12が、色素膜13を介して形成さ
れており、一方透明な基体11の裏面側には、発光素子
21と受光素子22とが設置されており、これらのもの
がケーシング30内に一体的に収納されている。 従って、発光素子21から発光された光を基体11の裏
面から入射し、このときの光の鏡面反射率をやはり基体
11裏面に設けた受光素子22によってとらえ、反射率
の変化から被検化学物質を検知、定量することとなる。 この場合、発光素子21と受光素子22とは近接して設
置することが好ましく、20’以下、特に5°以下の鏡
面反射による反射を測定することによって感度が高くな
り、素子とじてのコンパクト化をはかることができる。 本発明における発光素子21の発光する光の波長は、可
視〜赤外域のいずれかの波長である。 発光素子21としては、特に制限はないが、発光ダイオ
ード(LED) 、レーザダイオード(LD)等である
ことが好ましい。 また、受光素子22としても特に制限はないがフォトダ
イオード、フォトトランジスタ等であることが好ましい
。 その他、本発明の化学物質センサは、センサ膜と色素膜
とが積層されていれば、その構成において特に制限はな
(、種々の態様が可能である。 〈実施例〉 以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。 実施例1 基体にガラス板(50X50X1nuI+)上に色素と
して を用い、この2wt%メタノール溶液を塗布し、0.0
8μ厚の色素膜を形成した。 これを乾燥後、化学物質
感受性化合物にアルギン酸ナトリウム(SP値20 (
Mu/m31 ””以上、接触角70’以下)を用い、
この1 wt%水溶液を塗布し、0.06μ厚の塗膜を
形成した。 その後、2wt%のCaCl2.水溶液に
1分間浸漬して塩交換した。 これを引き上げた後、そのままスピンナー上で乾燥させ
た。 さらに、乾燥器で乾燥させた(70℃、1時間)
、、  これにより、アルギン酸のCa塩とCaCl2
 、を含むセンサ膜が形成された。 上記の色素膜を介してセンサ膜が形成されたガラス基板
を用いて、第1図に示される構成のセンサを組立てた。 なお、発光素子には950nmの波長の光を発光するL
EDを受光素子にはPINダオードをそれぞれ用いた。 このようにして作製したセンサを湿度測定に用いたとこ
ろ、30〜90%RHの濃度まで水蒸気を測定すること
ができた。 この場合の相対湿度とセンサの出力電圧との関係の1例
を第2図に示す。 この結果から測定の濃度範囲が広く、また直線性も良好
であることがわかる。 実施例2 基体として透明PET(帝人製、0.2mm厚)、また
色素として下記構造のナフタロシアニン色素 (R”−5i(CHs)i−0−1−CH,C1,0+
、C4H,)を用いて、実施例1と同様にしてセンサ膜
を形成し、センサを組立てたところ、30〜90%RH
でほぼ直線的な出力変化を得た。 実施例3 基体としてガラス板、色素として下記構造のシアニン/
Ni錯体の塩 を用いて、実施例1と同様にしてセンサ膜の形成および
センサの作製を行った。 30〜90%RHでほぼ直線
的な出力変化を得た。 実施例4 基体として透明PET、 色素として下記構造のフタロシアニン色素化学物質感受
性化合物として ポリ(4−スチレンスルホン酸)ナトリウムC3P値2
0 (MJ/m’)””以上、接触角70゜以下)を用
いて、実施例1と同様にしてセンサ膜を形成し、センサ
を組立てた。 同様番こ、30〜90%RHにてほぼ直
線関係が得られた。 実施例5 色素とじて を用い、この2wt%メタノール溶液をガラス基板(5
0X50X1mm)上に、塗布し0.088μ厚色素膜
を形成した。 乾燥後 5  wt%Ca CI2z水
溶液に40秒入れ塩交換した。 これを乾燥後感湿材料用親水性化合物としてアセチルセ
ルロース(SP値23 (MJ/m3)””接触角70
′以下)を用い、この2wt%シクロヘキサノン溶液を
塗布し0.1μ厚の塗膜を形成した。 このように作製したセンサを湿度測定に用いたところ、
第3図に示されるように10〜90%RHでほぼ直線的
な出力変化を得た。 実施例6 感湿材料としてエチルセルロース(SP値21 (MJ
/m”)””、接触角70@以下)を用いた他は、上記
実施例5と同様にしてセンサを作製したところ、同様に
10〜90%RHでほぼ直線的な出力変化を得た。 実施例7 感湿材料として、トリアセチルセルロースCSP値約2
0 (MJ/m”) ””・接触角70”以下)を用い
た他は、実施例5と同様にしてセンサを作製したところ
、同様にlO〜90%RHでほぼ直線的な出力変化を得
た。 〈発明の効果〉 本発明の化学物質センサは、被検流体中の化学物質を検
知、定量するのに使用されるものである。 この場合、被検化学物質と結合する化学物質感受性化合
物を含むセンサ膜と、このセンサ膜の膜物性の変化を光
反射率の変化としてとらえるための色素を含む色素膜を
別個に積層して設けているため、化学物質感受性化合物
と色素との相溶性等を考慮することがない。 このため、それぞれ均一な薄膜が得られ、センサとして
の応答が速く、反射率を高く保てるので精度が高くなる
。 また被検化学物質の選択の巾も広(なる。 さらには、基体裏面からの測定が可能となり、測定でき
る濃度範囲も広(、その直線性も良好である。 素子構成も簡易でコンパクト化が可能であり、その製造
も容易である。 すなわち、焼結、成形等の工程が不要であり、電極等も
不要となり、コスト面でも有利である。 また、電子の受授や電圧がセンサ膜に加わるなど、電気
的作用が全くないため、劣化が少なく連続使用に耐える
。 さらに、被検化学物質と発光素子や受光素子等の信号検
出素子とを非接触にできるため、この点からも耐久性が
よい。
[JP-A-53-76094, JP-A-58-426
No. 85, Tsukahara, Mechatronics special issue, Dan-L]
103 (1981), Sensor Technology, LLLL, 62
(1987) ``-1''-, 97 (1987)
, 7(12). 87 (19B?)]. This device utilizes the color change of liquid crystal. On the other hand, with the recent development of office automation equipment, etc., there is a demand for various sensors that can operate stably and accurately even in environments with strong electric fields such as copying machines, so sensors that use optical detection and quantitative methods are advantageous. It is. Among these, optical methods utilize the change in the amount of light absorption or fluorescence (fluorescence quenching) caused by the reaction of certain dyes or compounds with gas substances or the formation of charge transfer complexes. Detection and quantitative methods are known. For example, those utilizing the discoloration caused by the reaction of N,N-dimethylaniline with 02 (Japanese Unexamined Patent Publication No. 100337/1982), poly-2-bala(methacroylaminophenyl)-5-
A method that utilizes discoloration caused by the reaction of phenyl-1,3-oxazole with NHs or amines (Japanese Patent Laid-Open No. 60-202
334), tris(4,7-diphenyl-1,10-
There is a method (Japanese Unexamined Patent Publication No. 178646/1983) that utilizes the change in fluorescence caused by the reaction between Ru complex (phenanthroline) and O3. Furthermore, a method utilizing absorption change in bromothymol blue film due to NH (Nikkei Sangyo Shimbun, December 1988)
(Published on the 14th of May), NO. [Chemical Society of Japan Spring Annual Meeting Proceedings 3nHO7 (1988), Nikkei Sangyo Shimbun, published June 10, 1988] etc. can also be mentioned. Although there are few examples of devices that utilize light reflection, devices that use metal films or metal salts are being considered. For example, one that utilizes the reaction between palladium potassium sulfite and CO (Japanese Patent Laid-Open No. 58-79141), and one that utilizes the reaction between HgBra and AsHs (Japanese Patent Laid-Open No. 60-4264).
No. 5), which utilizes the corrosion of metal films by SF (Japanese Patent Application Laid-open No. 8066/1983). Furthermore, as a humidity sensor, an optical fiber or one that uses a change in refractive index by providing a hygroscopic material as a cladding on an optical fiber (JP-A-61-217744, JP-A-6
2-9255, JP-A No. 62-204143, etc.), those using inorganic compounds that change color due to moisture absorption (JP-A-54-80190, JP-A-61-139478)
, those that utilize changes in absorption coefficient, changes in scattering intensity, or color development due to hygroscopic resin etc. (Japanese Patent Laid-Open No. 56-67738)
No., JP-A-56-110039, JP-A-58-216
No. 936), and furthermore, one that utilizes changes in diffused reflection using a transparent body with unevenness and a moisture absorbent (Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-1999)
204742), or one that utilizes reflected light and transmitted light from a mirror consisting of two types of dielectric layers having different refractive indexes (Japanese Patent Laid-Open No. 62-39744). However, there are no proposals that utilize the reflection of a pigmented film. <Problems to be Solved by the Invention> Sensors using semiconductors, ceramics, polymers, etc. as described above generally have a drawback that the film is thick and the response is slow due to the diffusion process of the gas to be detected. Also, there are many things that need refreshing. Furthermore, changes in resistance values are often detected, and since this is done by electrical means, it is easily affected by strong electric fields and changes over time. In addition, many of the device manufacturing methods involve complicated processes (
Many of the detection circuits and the like are also complicated. On the other hand, sensors using cholesteric liquid crystals utilize color changes due to changes in pitch, so the wavelength distribution of light reflection changes diversely and is not constant, has low sensitivity, and is highly temperature dependent. , etc. have drawbacks. In addition, when using changes in absorption or fluorescence using dyes, dyes, etc. that can selectively bind or react with the gaseous substance or other analyte to be detected or quantified (the disadvantage of being limited to When manufacturing such devices, it is necessary to highly orient the dye molecules when applying the LB film, such as the one that utilizes the fluorescence change in the LB film, or the use of a bromothymol blue film. In many cases, advanced or complicated processes are required, such as those that utilize the absorption change in metals, such as the provision of a metal reflective film.Furthermore, those that use metal films or metal salts All reactions are irreversible, and even these reactions have the disadvantage that the combinations of sensor materials and test substances such as gaseous substances are limited. In order to do this, the film is characterized in that it contains a dye and a chemical substance-sensitive compound, and the light reflectance of the film changes when the chemical substance-sensitive compound binds to the test chemical substance. Chemical substance sensor.” (Patent application 1986-2194)
No. 34) and ``a substrate, a sensor film formed on the substrate, a light-emitting element, and a light-receiving element, the sensor film contains a dye and a chemical substance-sensitive compound, and the chemical substance-sensitive compound is coated. The film is configured so that the light reflectance of the film changes when combined with a test chemical substance, and the change in light reflectance is detected by the light receiving element to detect and quantify the test chemical substance. "Chemical substance sensor" (Japanese Patent Application No. 63-219921) has been proposed. However, in this method, it is necessary to form the chemical substance-sensitive compound and the dye in the same film, which requires compatibility between them, which limits the number of test chemicals that can be tested. There is. Further, due to this, the content of the dye is limited, resulting in a problem that sufficient detection sensitivity cannot be obtained. The present invention has a wide range of selection of test chemical substances, and the detection and
It is an object of the present invention to provide a chemical substance sensor that has high precision in quantitative determination, quick response, easy element configuration, excellent durability, and is advantageous in terms of cost. Means for Solving the Problems> In order to achieve the above objects, the chemical substance sensor of the present invention has a substrate, a sensor film laminated with a dye film on the substrate, and the sensor film has chemical substance sensitivity. The dye film contains a chemical compound, and is configured so that the light reflectance of the dye film changes when the chemical substance-sensitive compound binds to the test chemical substance. In the above, the sensor film is preferably laminated on the substrate via the dye film, and further includes a light emitting element and a light receiving element, and changes in light reflectance through the substrate of the dye film are detected by the light receiving element. Detects the test chemical substance by detecting the element,
Preferably, it is configured to quantify. Light reflection by the dye film is due to multiple reflections within the film, and is strongly influenced by the dye-sensor film interface. For this reason, when the compound in the sensor film combines with the test chemical substance, the refractive index, film thickness, etc. change, and the pigment film reflectance increases (changes). The sensor film of the present invention is undesirable because the multi-reflection effect is small. As a multi-reflection film, not only a dye film but also a laminated dielectric film can be used. This chemical-sensitive compound changes the physical properties of the film by combining with the test chemical, and this change in film properties changes the light reflectance, especially the specular reflectance, of the dye film laminated on the sensor film. Specific Structure> The structure of the present invention will be described in detail below. In the present invention, the sensor film is formed on the substrate in a laminated state with the dye film. Thus, in the present invention Since the sensor film and the dye film are separately laminated, patent application No. 63-2194
34 and No. 63-219921, in which a chemically sensitive compound and a dye are contained in the same film, there is no consideration of compatibility between the chemically sensitive compound and the dye. Therefore, the content of the dye in the dye film can be increased, the reflectance change of the dye film becomes sufficient, and sufficient sensitivity can be obtained. Furthermore, desired sensitivity can be obtained by controlling the thickness of the dye film. In the present invention, the sensor film is laminated with the dye film, but it is preferable that the sensor film is formed on the substrate via the dye film. By forming in this way, detection can be performed from the back side of the substrate. The pigmented film of the present invention has a specular reflectance of 10% or more, more preferably 20% or more, when measured at an angle of 20° or less, especially 5°, particularly at any wavelength in the visible to infrared region. , it is preferable to have so-called bronze luster. Further, the absorption rate of the dye film in the present invention is preferably 70% or less, preferably 50% or less, and the maximum wavelength of reflection (λRma y) in the pigment film is the maximum wavelength of absorption (λ
A , , , ) is preferably different from R1 □ - λA, 1 . It is desirable that the thickness is ≧50 nm. By using such a dye film, substantially sufficient sensitivity can be obtained. This is because when the reflectance is less than 10%, it becomes difficult to detect the test chemical substance as a change in reflectance. By measuring the reflectance by specular reflection of 20° or less, sensitivity is increased and the device can be made more compact. What are the pigments that make up such a pigment film? There is no particular restriction as long as the reflectance is 10% or more, but
Specific examples include cyanine dyes, azulenium dyes, biryllium dyes, squarylium dyes, croconium dyes, quinone/naphthoquinone dyes, metal complex dyes, phthalocyanine dyes, and naphthalocyanine dyes. In addition, when using polymethine dyes such as cyanine dyes, -doublet oxygen quenchers may be mixed and used,
The quencher in this case is a metal complex, especially Ni
Complexes such as dithiol-based (particularly bisphenyldithiol-based) Ni complexes and amine compounds are preferred. Further, an ionic combination of a quencher anion and a cyanine dye cation may be used. The chemical substance sensitive compound contained in the sensor membrane in the present invention is a compound that binds to a specific chemical substance reversibly or irreversibly, and may be selected depending on the test chemical substance. More specifically, chemically sensitive compounds have various bonding states between their molecules and the target chemical substance to be tested, and these bonds include various reactions, covalent bonds, ionic bonds, etc. In addition to various bonds such as , coordinate bonds, adsorption, absorption, etc. are included. The binding and desorption between the chemical substance-sensitive compound and the test chemical substance is preferably reversible, but may be irreversible. When the chemical substance to be tested is water, a hydrophilic compound is used as the chemically sensitive compound. For hydrophilic compounds, solubility parameters (solubi
ity parao+eter SP value δ=(CH
D) "2CHD, cohesive energy density cohesiv
energy density) is 17 (MJ/m
")""or more, especially 17-40 (MJ/m")""
Yo') Good * L < Ha18~40 (MJ/m")
”” Sarah 4. : Preferably 20 to 30 (MJ/a+
")" is preferable. The solubility parameter is calculated according to the following or calculated from the actual value. A. Calculated from the heat of evaporation δ= (E v / y) l/I Ev: molar evaporation energy ( J/mol), ■: Calculated from molar volume (literally "/mol). However, in the case of polymers, they do not vaporize, so follow B and C below. B. Actual measurement from compatibility (1) Swelling degree In particular, cross-linked three-dimensional polymers are insoluble in solvents, so observe the degree of swelling and determine the s of the solvent with the greatest swelling effect.
Let the p value be the sp value of the polymer (D, Mangaraj,
MacroIlol, cheII+,, 65.2
9 (1963)). (2) Viscosity: In a solvent with good compatibility, the polymer chain is spread out, so the viscosity is high. Measure the intrinsic viscosity η in various solvents and plot it against the sp value of the solvent used. The sp value showing the maximum is taken as the sp value of the polymer (D, Mangaraj
, S., Patra and S., B., Rath, Ma.
klomol, cheIl, 67.84 (196
3). 65.39 (1963), G. M. Bistow an
d W, F. Watson. Trans, Faraday, Soc, 54.1
742 (19581). (3) Turbid point titration method: A tributary solvent of the polymer is dropped into a polymer solution, and the s
Determine the p-value (K, W, 5uhand D, H,
C1arke, J., Polym, Sci., 5.1
671 (1967), K.W., Suh and J.
M, Corbett, J, Apl)l. Polyn+, Sci, 12.2359 (1968
)). Calculation from C8 chemical structure Small's method (P, Small, J, Appl,
Chem., 3°71 (1953)), preferably the method of Fedors (R.F. Fedors, Pol.
ym, Eng, Sci, 14147 (1974)
), it can be calculated from the evaporation energy Δei and molar volume Δvi of atoms and atomic groups. In the present invention, one or more of the above hydrophilic compounds A,
The sp value calculated from either B or C is 17 (MJ
/s")"" or more. Also, when one or more of the hydrophilic compounds used is formed as a single layer film, the contact angle with water is 701 or less, especially lO~70 It is preferable to A hydrophilic polymer compound having a polar group is preferable in order to have a contact angle of In addition, there are polymer compounds containing cyano groups, halogens, etc., including the following: a) Water-absorbing polymer anion salts (particularly salts that absorb water reversibly) For example, sodium alginate, polyacrylic b) Polyelectrolytes such as polyethyleneimine hydrochloride, polyethyleneimine/polystyrene. Sulfonic acid, polyN-methylpyridinium chloride, etc. C) Thermosetting resin phenolic resin, furan resin, alkyd resin, epoxy resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, etc. d) Thermoplastic resin polyvinyl acetate, polyacrylate, Polymethacrylate, polyvinyl chloride, polyacrylonitrile, polyvinyl alcohol, polyether, polyamide, polyester, polyurethane, polyvinyl ketone, polyvinylidene chloride, polyvinylpyrrolidone (PVP), polyalkylene (ethylene) glycol, polyacrylamide, PV
A-ethylene copolymer, etc. e) Cellulose-based acetylcellulose, triacetylcellulose, nitrocellulose, acetylbutylcellulose, propionylcellulose, ethylcellulose, carboxymethylcellulose, etc. f) Natural polymers and their derivatives casein, amylose, polyglycine, modified starch (
grafted starch) etc. g) These blends or copolymers may be crosslinked to have a three-dimensional structure. These polymer compounds are preferably used because they have good film properties and high water resistance. II, hydrophilic low-molecular organic compound h) Water-absorbing organic metal salt (especially a salt that absorbs water reversibly) For example, sodium acetate, sodium potassium tartrate,
such as sodium lactate. III. Hydrophilic inorganic compounds i) Water-absorbing inorganic metal salts (especially salts that absorb water reversibly) such as Li C12t, Ca C2m, COC (
metal halides such as lz, etc. j) Hydrophilic gels, such as colloidal silica or silicates such as silicon alkoxides, hydrolysates of titanates, aluminates, zirconates, etc. One or more of these compounds may be used. At this time, it can be used as a humidity sensor that detects water vapor. Next, when using ammonia as the test chemical substance, bromothymol blue, thymol blue, acridine orange, poly-2-para(methacroylaminophenyl)-
5-7 enyl-1,3-oxazole or the like may be used as the chemical substance sensitive compound. Furthermore, crown ether is used when the test chemical substance is an alkali metal or alkaline earth metal ion such as Na"K" or various metal ion such as Ag". As a crown ether, benzo-15-crown 5 is used.
(Test chemical substance HNa”), dibenzoviridino 18-
Crown-6 (test chemical substance; various metal ions), Cryptofix 222CC (manufactured by Merck) (test chemical substance; , etc.) can be used.In addition, cholesteric liquid crystal can be used for various gases, pyrene,
N,N-dimethylaniline, tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline) Ru complex, (CβC
H2CHI)ts or (CI2CHz CHi)a
Triphenylmethine neutral red and the like are examples of substances using NH as the test chemical substance. In the present invention, as described above, the chemical substance sensitive compound and the test chemical substance combine with each other in the sensor film, thereby changing the light reflectance of the dye film laminated on the sensor film. Detecting chemical substances. The change in light reflectance in this case is considered to be due to changes in film properties such as film thickness, film density, and refractive index, as described above. That is, in the present invention, changes in film physical properties in response to the bond between a chemical substance-sensitive compound and a test chemical substance are detected by changes in the light reflectance of a dye film that exhibits high specular reflectance, and the test chemical substance is quantified. It is something. More specifically, it is thought that in hydrophilic compounds such as hydrophilic polymer water-absorbing salts and hydrophilic gels, hydration occurs due to water vapor, and water is adsorbed or absorbed. In addition, it is thought that this is due to some kind of interaction between bromothymol blue and ammonia, and ultimately the formation of a charge transfer complex. In the case of crown ethers, this is thought to be due to inclusion of ions such as alkali metals and alkaline earth metals. The above bond may be reversible or irreversible as long as it changes the light reflectance of the film. However, from the point of view of repeated use of the sensor, it is preferable that the sensor be reversible. Although it is possible to use only the change in light reflectance as described above,
In some cases, light transmittance can also be used.
Furthermore, in addition to changes in reflectance and transmittance with monochromatic light, it is possible to provide a range of measurement wavelengths and detect changes in the amount of reflected light or transmitted light. In this case, an LED can be used as a light source, and it is preferable because the amount of light varies widely. In such a case, as described above, it is preferable to use specular reflection. or may contain a binder such as a self-oxidizing resin such as nitrocellulose, or a thermoplastic resin such as polystyrene or nylon.In this case, the content of the pigment is 60%.
The content is preferably 90 to 100 wt%, preferably 90 to 100 wt%. With such a content, changes in the physical properties of the film can be sufficiently reflected in the light reflectance of the dye film. Further, the thickness of the dye film may be selected depending on the desired sensitivity, etc., and is approximately 400 to 200 OA. The sensor film in the present invention may be formed only from chemical substance-sensitive compounds (this is a preferred embodiment). In the examples, especially when using a hydrophilic polymer compound, a coating film with good film properties can be obtained.In addition, when ammonia is used as the test chemical substance, poly-2-para(methacroylaminophenyl)- The same applies to 5-phenyl-1,3-oxazole, etc. For other compounds, films may be formed by coating or vapor deposition. Also, a sensor film can be created by using a combination of similar chemically sensitive compounds. In this case, for example, a polymer compound sensitive to chemical substances may have a binder function.Furthermore, binders such as various polymers that do not inhibit the function as a chemical substance sensitive compound may be used in combination. The content of the chemical substance sensitive compound in the above may be 50 to 10.
The content is preferably 0wt%, preferably 80 to loOwt%. With such a content, the physical properties of the sensor film can be sufficiently changed. In addition, the sensor film in this case is 0.05 to 1007171
, preferably 0.1 to 5-. In this way, it becomes possible to form a thin film, and the response as a sensor becomes faster. Although the material of the substrate in the present invention is not particularly limited, it is preferably substantially transparent, since detection can be performed from the back side of the substrate. Specifically, glass, hard vinyl chloride, polyethylene terephthalate (PET), polyolefin, polymethyl methacrylate (PMMA), acrylic resin, epoxy resin, polycarbonate resin, polysulfone resin, polyethersulfone, methylpentene polymer, bisphenol A- Examples include various resins such as terephthalic acid copolymers. The shape of such a substrate is not particularly limited, but it is usually plate-like or film-like. In order to manufacture the chemical substance sensor of the present invention, a dye film may be formed on a substrate, and a sensor film may be layered thereon. The dye film and the sensor film may be formed by preparing a dye coating solution and a chemical substance-sensitive compound coating solution, respectively, and forming the coating films. Application during coating film formation may be performed by spin cord, dipping, spraying, or the like. The solvent used in preparing the coating solution is not particularly limited as long as the dye or chemically sensitive compound is soluble therein. Specifically, keto alcohols (aliphatic keto alcohols, especially diacetone alcohol, acetol, acetoin, acetoethyl alcohol, etc.), R, O-R, -OH[
Here, R1 is a lower alkyl group (particularly having 1 to 5 carbon atoms)
, R2 represents a lower alkylene group (particularly having 2 to 5 carbon atoms), ether type represented by ], ketone type such as methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, butyl acetate, ethyl acetate, carpitol acetate, Ester systems such as butylcarpitol acetate,
Examples include ether type citoluene such as methyl cellosolve and ethyl cellosolve, aromatic type such as xylene, halogenated alkyl type such as dichloroethane, water, and alcohol. Under these circumstances, when using a water-absorbing polymeric anion salt that becomes a double sensor (for chemical substance-sensitive compounds), a sensor membrane can be produced by the following method. That is, the chemical substance sensitive compound has an anionic group,
In the case of a soluble salt having a positive counter ion such as Na, NH, etc. that pairs with this anion group, after forming a coating film as described above, the positive counter ion is exchanged with the salt and at the same time the metal It is possible to introduce a halide into the film. By making such a soluble salt insoluble through salt exchange, the stability of the coating film is improved, such as being extremely stable against moisture of the test chemical substance. Further, by leaving an excess amount of metal halide such as CaCl2 in the coating film, the function as a sensor film can be improved. Therefore, it is necessary that metal halides such as CaCl2□ exist in this form in the coating film, and it is necessary to use it by immersing it in a salt exchange solution and drying it as is, or after exchanging it, washing it with water or a purified solvent, and then using it again. It may be immersed in another salt solution having the same composition as the salt exchange solution. The solution of CaCβ3 etc. used for salt exchange has a content of 1 to 10 wt%,
Preferably it is 2 to 5 wt%. As the solvent used for the salt exchange solution, the same ones as the coating solvent can be mentioned. However, it is necessary that the polymeric anion salt and the substrate obtained by salt exchange are hardly soluble and can dissolve the salt of the counter ion to be subjected to salt exchange. Salt exchange may be performed at a temperature of 0 to 60°C for about 1 to 60 minutes. The film thickness in this case is 0.05 to 0.14, but Ca
It can be selected as appropriate depending on the amount of C42a, etc. In the present invention, the dye film and sensor film may be formed by vapor deposition. That is, it may be carried out according to a known method using a dye or a chemical substance-sensitive compound as a vapor deposition source. Examples of dyes that can be applied at this time include phthalocyanine dyes, naphthalocyanine dyes, squarylium dyes, and croconium dyes. In the present invention, the membrane surface of the sensor membrane may be further air-sandched with a breathable protection plate, or a breathable protection plate may be provided on the membrane surface. Further, a filter through which a specific chemical substance can pass may be provided on the membrane surface. In the present invention, after forming a dye film and a sensor film on a substrate,
This may be punched or cut into desired dimensions. This method is preferable in terms of mass productivity. Alternatively, a glass fiber may be used as the substrate, and a dye film and a sensor film may be formed on the end face thereof. Furthermore, a plurality of these materials may be bundled and used. Alternatively, the materials may be bundled and the end surfaces polished, and a dye film and a sensor film may be formed on the end surfaces. In the chemical substance sensor of the present invention, it is possible to control the thickness of the sensor membrane, and by bringing it into contact with a test fluid containing a test chemical, the test chemical can be mixed in parts per billion (ppb) according to the film thickness.
It becomes possible to measure in the range of -100%. A preferred embodiment of the chemical substance sensor of the present invention includes, for example, the structure shown in FIG. In this device, a sensor film 12 containing a chemical substance-sensitive compound is formed on a transparent substrate 11 via a dye film 13, while a light emitting element 21 and a light receiving element are arranged on the back side of the transparent substrate 11. 22 are installed, and these items are housed integrally within the casing 30. Therefore, the light emitted from the light emitting element 21 is incident on the back surface of the base 11, and the specular reflectance of the light at this time is captured by the light receiving element 22, which is also provided on the back surface of the base 11, and from the change in reflectance, the test chemical is detected. Detection and quantification. In this case, it is preferable to install the light-emitting element 21 and the light-receiving element 22 close to each other, and by measuring reflection by specular reflection of 20' or less, especially 5 degrees or less, sensitivity is increased and the element can be made more compact. can be measured. The wavelength of the light emitted by the light emitting element 21 in the present invention is in the visible to infrared range. The light emitting element 21 is not particularly limited, but is preferably a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), or the like. Further, the light receiving element 22 is not particularly limited, but is preferably a photodiode, a phototransistor, or the like. In addition, the chemical substance sensor of the present invention is not particularly limited in its structure as long as the sensor film and the dye film are laminated (various embodiments are possible). This will be explained specifically by way of an example.Example 1 This 2 wt% methanol solution was coated on a glass plate (50 x 50 x 1 nuI+) as a dye, and 0.0
A dye film with a thickness of 8 μm was formed. After drying this, sodium alginate (SP value 20 (
Mu/m31" or more, contact angle 70' or less),
This 1 wt% aqueous solution was applied to form a coating film with a thickness of 0.06 μm. Then, 2 wt% CaCl2. The salt was exchanged by immersing it in an aqueous solution for 1 minute. After pulling it up, it was directly dried on a spinner. Furthermore, it was dried in a dryer (70°C, 1 hour).
,, As a result, the Ca salt of alginic acid and CaCl2
A sensor film containing , was formed. A sensor having the configuration shown in FIG. 1 was assembled using a glass substrate on which a sensor film was formed via the dye film described above. Note that the light emitting element has an L that emits light with a wavelength of 950 nm.
A PIN diode was used as a light receiving element for the ED. When the sensor thus produced was used for humidity measurement, it was possible to measure water vapor up to a concentration of 30 to 90% RH. An example of the relationship between the relative humidity and the output voltage of the sensor in this case is shown in FIG. This result shows that the measurement concentration range is wide and the linearity is also good. Example 2 Transparent PET (manufactured by Teijin, 0.2 mm thickness) was used as the substrate, and naphthalocyanine dye with the following structure (R”-5i (CHs) i-0-1-CH, C1,0+) was used as the dye.
, C4H,), a sensor film was formed in the same manner as in Example 1, and the sensor was assembled.
An almost linear output change was obtained. Example 3 Glass plate as the substrate, cyanine/with the following structure as the pigment
A sensor film was formed and a sensor was produced in the same manner as in Example 1 using a Ni complex salt. A nearly linear output change was obtained from 30 to 90% RH. Example 4 Transparent PET as the substrate, Phthalocyanine dye with the following structure as the dye, Sodium poly(4-styrenesulfonate) C3P value 2 as the chemical sensitive compound
A sensor film was formed in the same manner as in Example 1 using a contact angle of 0 (MJ/m')"" or more and a contact angle of 70 degrees or less), and a sensor was assembled. A substantially linear relationship was obtained in the same range from 30% to 90% RH. Example 5 This 2 wt% methanol solution was applied to a glass substrate (5
0x50x1 mm) to form a 0.088 μ thick dye film. After drying, it was placed in a 5 wt% Ca CI2z aqueous solution for 40 seconds for salt exchange. After drying, acetylcellulose (SP value 23 (MJ/m3) contact angle 70) was used as a hydrophilic compound for moisture-sensitive materials.
This 2 wt % cyclohexanone solution was applied to form a coating film with a thickness of 0.1 μm. When the sensor fabricated in this way was used to measure humidity,
As shown in FIG. 3, a substantially linear output change was obtained between 10 and 90% RH. Example 6 Ethyl cellulose (SP value 21 (MJ
A sensor was fabricated in the same manner as in Example 5 above, except that a contact angle of 70 @ or less) was used, and a nearly linear output change was similarly obtained at 10 to 90% RH. Example 7 As a moisture-sensitive material, triacetyl cellulose has a CSP value of about 2
A sensor was fabricated in the same manner as in Example 5, except that 0 (MJ/m'') ''・contact angle of 70'' or less) was used, and a nearly linear output change was similarly observed from lO to 90%RH. Obtained. <Effects of the Invention> The chemical substance sensor of the present invention is used to detect and quantify chemical substances in a test fluid. In this case, a sensor film containing a chemically sensitive compound that binds to the test chemical substance and a dye film containing a dye to detect changes in the film properties of this sensor film as changes in light reflectance are separately laminated. Therefore, there is no consideration of compatibility between chemical substance-sensitive compounds and dyes. Therefore, a uniform thin film can be obtained, the response as a sensor is fast, and the reflectance can be kept high, resulting in high accuracy. In addition, the selection range of test chemical substances is wide (in addition, it is possible to measure from the back side of the substrate, the measurable concentration range is wide (and the linearity is also good), and the element configuration is simple and compact. It is possible and easy to manufacture. In other words, there is no need for processes such as sintering and molding, and there is no need for electrodes, which is advantageous in terms of cost. In addition, it is advantageous in terms of cost. Since there is no electrical effect such as electrical interference, there is little deterioration and it can withstand continuous use.Furthermore, since there is no contact between the chemical substance to be tested and signal detection elements such as light-emitting elements and light-receiving elements, durability is also improved from this point of view. Good.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の化学物質センサの好ましい態様を示
す切断端面図である。 第2図および第3図は、本発明の化学物質センサを温度
センサに適用したときの相対湿度と出力電圧との関係を
示すグラフである。 FIG、1 符号の説明 11・・・基体 12・・・センサ膜 13・・・色素膜 21・・・発光素子 22・・・受光素子 30・・・ケーシング 出 願 人 ティーデイ−ケイ株式会社代  理  人
  弁理士   石  井  隔間     弁理士 
  増  1) 達  哉G、2 ?F目 ”f E’X$ / ”hAごH■ G。 5゜ 相 対湿 度 / % +00
FIG. 1 is a cut end view showing a preferred embodiment of the chemical substance sensor of the present invention. FIGS. 2 and 3 are graphs showing the relationship between relative humidity and output voltage when the chemical substance sensor of the present invention is applied to a temperature sensor. FIG. 1 Explanation of symbols 11...Substrate 12...Sensor film 13...Dye film 21...Light emitting element 22...Light receiving element 30...Casing Applicant: Representative of TDC Co., Ltd. People Patent Attorney Ishii Kankan Patent Attorney
Increase 1) Tatsuya G, 2? F eye ``f E'X$ / ``hAgo H■ G. 5゜Relative humidity/% +00

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)基体と、この基体上に色素膜と積層したセンサ膜
を有し、前記センサ膜が化学物質感受性化合物を含み、
この化学物質感受性化合物が被検化学物質と結合するこ
とによって前記色素膜の光反射率が変化するように構成
したことを特徴とする化学物質センサ。
(1) having a substrate and a sensor film laminated with a dye film on the substrate, the sensor film containing a chemical substance sensitive compound;
A chemical substance sensor characterized in that the chemical substance sensitive compound is configured to change the light reflectance of the dye film by binding with a test chemical substance.
(2)前記センサ膜が前記色素膜を介して前記基体上に
積層されている請求項1に記載の化学物質センサ。
(2) The chemical substance sensor according to claim 1, wherein the sensor film is laminated on the substrate via the dye film.
(3)さらに、発光素子と受光素子とを有し、色素膜の
基体をとおしての光反射率変化をこの受光素子によって
検出し、被検化学物質を検知、定量するように構成した
請求項1または2に記載の化学物質センサ。
(3) A claim further comprising a light-emitting element and a light-receiving element, the light-receiving element detecting a change in light reflectance through the base of the pigment film, and detecting and quantifying the chemical substance to be tested. 2. The chemical substance sensor according to 1 or 2.
JP21279289A 1988-09-01 1989-08-18 Chemical material sensor Pending JPH02193045A (en)

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JP21279289A JPH02193045A (en) 1988-10-18 1989-08-18 Chemical material sensor
US07/401,013 US5268145A (en) 1988-09-01 1989-08-31 Chemical substance-sensing element

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP63-263506 1988-10-18
JP26350688 1988-10-18
JP21279289A JPH02193045A (en) 1988-10-18 1989-08-18 Chemical material sensor

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JP21279289A Pending JPH02193045A (en) 1988-09-01 1989-08-18 Chemical material sensor

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JP (1) JPH02193045A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0598340B1 (en) * 1992-11-17 2012-06-13 O.S.P. Inc. Use of a copolymer film on a substrate for detecting chemical substances

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EP0598340B1 (en) * 1992-11-17 2012-06-13 O.S.P. Inc. Use of a copolymer film on a substrate for detecting chemical substances

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