JPH09329553A - Optical sensor for detection chemical substance dissolved or dispersed in water - Google Patents

Optical sensor for detection chemical substance dissolved or dispersed in water

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JPH09329553A
JPH09329553A JP14558196A JP14558196A JPH09329553A JP H09329553 A JPH09329553 A JP H09329553A JP 14558196 A JP14558196 A JP 14558196A JP 14558196 A JP14558196 A JP 14558196A JP H09329553 A JPH09329553 A JP H09329553A
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JP
Japan
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thin film
optical sensor
polymer thin
water
light
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JP14558196A
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Japanese (ja)
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Riyuu Yuan
ユアン・リュウ
Hironobu Yamamoto
弘信 山本
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HOECHST IND KK
Original Assignee
HOECHST IND KK
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical sensor which high sensitivity which detects a chemical substance dissolved or dispersed in water. SOLUTION: The optical sensor 1 for detecting a chemical substance in water is provided with a detection element 2 having a polymer thin film 22, a light source part 3 for radiating light for irradiating the polymer thin film 22, and a light detector 4 for detecting intensity of lights reflected from the polymer thin film 22. The detection element 2, light source part 3 and light detector 4 are fitted integrally with a housing 7. The polymer thin film 22 is formed on a high reflection substrate 21, and mutually acts on a chemical substance dissolved or scattered in water in a water passage 8.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明が属する技術分野】本発明は、ポリマ薄膜を用い
て導波モード法(WG法)、表面プラズマ共振法(SP
R法)、干渉増幅反射法(IER法)等の光学的な検出
方法により,水中に溶存又は分散する化学物質、特には
水中溶存有機炭素(dissolvedorganic
carbon、以下、DOCと称する)を直接検出す
るための光学的センサに関する。ポリマ薄膜は、水中で
吸収あるいは吸着によって炭化水素等の化学物質と相互
作用する。その結果、化学物質の濃度に依存してポリマ
薄膜の厚さ及び/又は屈折率が変化するので、こうした
物理的変化を光学的な方法によって測定することによ
り、水中に溶存又は分散する化学物質、特にはDOCの
濃度を決定することが可能となる。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a guided mode method (WG method), a surface plasma resonance method (SP) using a polymer thin film.
R method), interference amplification reflection method (IER method), and other optical detection methods, such as chemical substances dissolved or dispersed in water, particularly dissolved organic carbon in water (dissolvedorganic).
The present invention relates to an optical sensor for directly detecting carbon (hereinafter referred to as DOC). Polymer thin films interact with chemicals such as hydrocarbons by absorption or adsorption in water. As a result, the thickness and / or the refractive index of the polymer thin film changes depending on the concentration of the chemical substance. Therefore, by measuring such physical change by an optical method, a chemical substance dissolved or dispersed in water, In particular, it becomes possible to determine the concentration of DOC.

【0002】[0002]

【従来の技術】水中の化学種の検出のための光学的セン
サとしてのポリマ材料の使用は、これまでに多数報告さ
れている。多くの報告書は、光ファイバーあるいは光導
波路を用いたエバネッセント波センサに関するものであ
る。
The use of polymeric materials as optical sensors for the detection of chemical species in water has been well documented. Many reports are related to evanescent wave sensors using optical fibers or optical waveguides.

【0003】カーター等は、屈折率が導波層の屈折率よ
り小さい応答膜によって覆われた光導波路により溶液中
の化学種を同定する方法を米国特許第Re.33,06
4号明細書に開示している。光は内部全反射により光導
波路内を伝播する。この伝播する光のうち、応答膜と被
検知化学種との相互作用に関与するのは全反射により生
じるエバネッセント波のみであり、カーター等の方法で
は、光の吸収、散乱、蛍光の発生が生じる相互作用に限
定されている。
Carter et al. Described a method for identifying chemical species in a solution by an optical waveguide covered with a response film having a refractive index smaller than that of a waveguiding layer in US Pat. No. Re. 33,06
No. 4 specification. Light propagates in the optical waveguide by total internal reflection. Of the propagating light, only the evanescent wave generated by total reflection is involved in the interaction between the response film and the chemical species to be detected, and by the method such as Carter, light absorption, scattering, and fluorescence generation occur. Limited to interaction.

【0004】ヒンリッチ等は水中の有機化合物の検出の
ためポリマを内部反射エレメント上部に使用することを
「Determination of organic
compounds by IR/ATR spec
troscopy withpolymer−coat
ed internal reflectionele
ments」(Applied Spectrosco
py,44巻、10号、1990、p.1641−16
46)に報告した。しかしながら、ヒンリッチ等の検出
法は、ポリマフィルム中へ浸透する赤外線のエバネッセ
ント波の有機化合物による吸収に基づいており、ポリマ
フィルムは、水を排除し、内部反射エレメントの表面へ
有機化合物を抽出することによって、吸収シグナルを増
大せしめるために使われている。
Hinrich et al. Describe the use of polymers on top of internal reflection elements for the detection of organic compounds in water "Determination of organic."
compounds by IR / ATR spec
troscopy withpolymer-coat
ed internal reflectionele
Ments "(Applied Spectrosco
py, Vol. 44, No. 10, 1990, p. 1641-16
46). However, the detection method of Hinrich et al. Is based on the absorption of infrared evanescent waves penetrating into the polymer film by the organic compound, and the polymer film excludes water and extracts the organic compound on the surface of the internal reflection element. Is used to increase the absorption signal.

【0005】ビュルク等は、「A fiber opt
ic evanescent field absor
ption sensor for monitori
ngorganic contamination i
n water」(Fresenius J. Ana
l. Chem.,(1994)342、p.394−
400)及び「Fiber−optic evanes
cent wavesensor for in si
tu determination ofnon−po
lar organic compounds in
water」(Sensors and Actuat
ors B 18−19(1994)p.291−29
5)において、光ファイバーを使うことを除いて類似の
方法を報告した。
Burk et al., "A fiber opt"
ic evanescent field absor
ption sensor for monitori
norganic contamination i
n water ”(Fresenius J. Ana
l. Chem. , (1994) 342, p. 394-
400) and "Fiber-optic evanes.
cent wavesenor for in si
tu termination of non-po
lar organic compounds in
water "(Sensors and Actuat
ors B 18-19 (1994) p. 291-29
In 5), we reported a similar method except using an optical fiber.

【0006】また、特開平7−85122号公報には、
光ファイバーのクラッド層をキトサン組成物で構成する
ことによって、水中の有機溶剤を検知するための方法が
開示されている。キトサン・クラッドへ浸透するエバネ
ッセント波の強度は膨潤の度合いで変わり、キトサン・
クラッドの濃度は水の溶媒に対する比で変わるので、そ
の結果、光ファイバーを伝播する光の強度は水中の有機
溶剤の濃度の関数となる。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 7-85122 discloses that
A method for detecting organic solvents in water is disclosed by composing a cladding layer of an optical fiber with a chitosan composition. The intensity of the evanescent wave that penetrates the chitosan clad changes depending on the degree of swelling.
The concentration of the cladding varies with the ratio of water to solvent, so that the intensity of light propagating through the optical fiber is a function of the concentration of organic solvent in the water.

【0007】エバネッセント波を利用するセンサの主な
欠点は、入力光のわずか一部分だけが検知に使われるた
め、センサの感度が制限されることである。従って、高
感度なセンサを得るためには、長い相互作用距離が必要
となる。つまり、そのようなセンサのコンパクト化には
限界がある。
A major drawback of sensors utilizing evanescent waves is that the sensitivity of the sensor is limited because only a small portion of the input light is used for detection. Therefore, a long interaction distance is required to obtain a highly sensitive sensor. That is, there is a limit to making such a sensor compact.

【0008】検知する入力光の大部分を用いることによ
り、一層高い感度を得ることができる。WO95/20
151号公報(国際公開日:1995年7月27日)に
おいては、多層構造の光ファイバー型化学センサが開示
されている。応答ポリマ層が光ファイバーのコアとクラ
ッドとの間に挟まれており、ポリマ層の屈折率がコアと
クラッドの屈折率より大きいために、ポリマ層が光導波
層となる。そのため、光ファイバー中に入射された光は
ポリマ導波層へ屈折され、ポリマ導波層中をセンサの終
端へ向かって伝播する。しかし、このような構成では、
出力光検出器を出力端近辺に設置しなければならないの
で、このような構成は水中の被検知物質を測定する場合
には不便である。
Higher sensitivity can be obtained by using most of the detected input light. WO95 / 20
Japanese Patent Publication No. 151 (International Publication Date: July 27, 1995) discloses an optical fiber type chemical sensor having a multilayer structure. The response polymer layer is sandwiched between the core and the clad of the optical fiber, and the polymer layer serves as an optical waveguide layer because the refractive index of the polymer layer is larger than that of the core and the clad. Therefore, the light incident on the optical fiber is refracted into the polymer waveguide layer and propagates through the polymer waveguide layer toward the end of the sensor. However, in such a configuration,
Since the output photodetector must be installed near the output end, such a configuration is inconvenient when measuring a substance to be detected in water.

【0009】ガス中の化学物質検知用の高感度ポリマも
多数報告されている。グルリアーニ等は、「Fabri
cation of an integrated o
ptical waveguide chemical
vapor microsensor by pht
opolymerization of a bifu
nctional oligomer」(Appl.
Phys. Lett.、48(1986)、p.13
11−1313)及び「Integratedopti
cal chemical vepor micros
ensor」(Sensors and Actuat
ors,15(1988)、p.25−31)で、幾つ
かの有機蒸気の存在を検知する厚み1μmのストリップ
型ポリマ導波路を報告した。彼らの方法は、非偏光光を
一端からファイバー結合により導波路チャネルの中へ導
入し、導波路中を伝播する光を他端から外部に取り出
す。これにより、ポリマと有機蒸気との相互作用は透過
(伝播)する光強度変化として検知される。グルリアー
ニ等の方法は、(1)ストリップ型導波路を作ること
は、光重合性ポリマを必要とする点、及び、(2)マイ
クロメータ以下の薄いフィルムに端面結合することが非
常に難しい点の2点で簡単でない。
Many high-sensitivity polymers for detecting chemical substances in gas have been reported. Gurugliani and others are "Fabri
Cation of an integrated o
optical waveguide chemical
vapor microsensor by pt
opolymerization of a bifu
nctional oligomer "(Appl.
Phys. Lett. 48 (1986), p. Thirteen
11-1313) and "Integrated opti.
cal chemical vapor micros
ensor "(Sensors and Actuat
ors, 15 (1988), p. 25-31) reported a 1 μm-thick strip-type polymer waveguide that detects the presence of some organic vapors. Their method is to introduce unpolarized light into the waveguide channel by fiber coupling from one end and to take out the light propagating in the waveguide from the other end. As a result, the interaction between the polymer and the organic vapor is detected as a change in the transmitted (propagating) light intensity. The method of Grugliani et al. Is that (1) making a strip type waveguide requires a photopolymerizable polymer, and (2) it is very difficult to end-face bond to a thin film of a micrometer or less. Two points is not easy.

【0010】有機蒸気検出のためのセンサとしての平板
型ポリマ薄膜光導波路は、「Evaluation o
f polymer thin film waveg
uides as chemical sensor
s」(SPIE Proceedings、Vol.1
368: Chemical,biochemica
l, and environmental II,19
90)でバウマンとバーゲスによって報告されている。
ポリマフィルムが化学蒸気を吸収する結果、ポリマ膜の
導波路特性が変化する。バウマン等は、基板に埋め込ま
れた2つのグレーティング(回折格子)を光の入出力結
合用に使った。しかし、そのようなグレーティングカッ
プラは作製が難しく高価である。より簡単なプリズムカ
ップラを用いる方法は、オスターフェルド等によって
「Optical gas detection us
ing metal film enhanced l
eakymode spectroscopy」(Ap
pl.Phys.Lett.、62(19)、(10
May 1993)、p.2310−2312)に報告
されている。金属反射層がポリマフィルム導波路と光結
合用プリズムとの間に挟まれ、金属とプリズムとの界面
に入射された光はある最適な入射角度で全反射される。
全反射によって生成されたエバネッセント波により、ポ
リマフィルム中に導波モードが励振される。
A flat plate type polymer thin film optical waveguide as a sensor for detecting organic vapor is described in "Evaluation o
f polymer thin film waveg
guides as chemical sensor
s "(SPIE Proceedings, Vol. 1
368: Chemical, biochemica
l and and environmental II, 19
90) by Baumann and Burgess.
The absorption of chemical vapors by the polymer film results in a change in the waveguide properties of the polymer film. Baumann et al. Used two gratings (diffraction gratings) embedded in a substrate for light input / output coupling. However, such a grating coupler is difficult to manufacture and expensive. A simpler method using a prism coupler is described in “Optical gas detection us” by Osterfeld et al.
ing metal film enhanced l
eakymode spectroscopy "(Ap
pl. Phys. Lett. , 62 (19), (10
May 1993), p. 2310-2312). The metal reflection layer is sandwiched between the polymer film waveguide and the optical coupling prism, and the light incident on the interface between the metal and the prism is totally reflected at a certain optimum incident angle.
Guided modes are excited in the polymer film by the evanescent waves generated by total internal reflection.

【0011】バウマン等とオスターフェルド等によって
示されたポリマ導波路が水中で有機炭素を検知するため
に使用可能かどうかは言及されていない。更に、オスタ
ーフェルド等によって使われたポリマフィルム(テフロ
ンAF)の屈折率(=1.3034)は水の屈折率(=
1.33)よりも小さいので、テフロンAFフィルム
は、水中では導波路として機能しない。
It is not mentioned whether the polymer waveguides shown by Baumann et al. And Osterfeld et al. Can be used to detect organic carbon in water. Furthermore, the refractive index (= 1.3034) of the polymer film (Teflon AF) used by Osterfeld et al.
Since it is smaller than 1.33), the Teflon AF film does not function as a waveguide in water.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の公知
技術の課題を解決するために提案されたものであり、構
成が簡単且つ高感度であり、製作が容易な、水中に溶存
又は分散する化学物質、特にはDOCの検出用の光学的
センサを提供することを目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been proposed to solve the above-mentioned problems of the known art, and has a simple structure and high sensitivity, and is easily dissolved or dispersed in water. It is an object of the present invention to provide an optical sensor for detecting a chemical substance, especially DOC.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】こうした目的を達成する
ために、本発明は、水中に溶存又は分散する化学物質を
直接検出するための光学的センサであって、前記化学物
質と相互作用するポリマ薄膜を有する検出素子と、前記
ポリマ薄膜を照射する光を発出するための光源部と、前
記ポリマ薄膜から反射された光の強度を検出するための
光検出器と、を具備することを特徴とする光学的セン
サ、を提供する。
In order to achieve these objects, the present invention provides an optical sensor for directly detecting a chemical substance dissolved or dispersed in water, which polymer interacts with the chemical substance. A detection element having a thin film, a light source unit for emitting light for irradiating the polymer thin film, and a photodetector for detecting the intensity of light reflected from the polymer thin film. An optical sensor for

【0014】本発明においては、ポリマ薄膜が吸収又は
吸着する化学物質であれば、検出することができるが、
特には有機炭素を検出する場合、感度等の面で好まし
い。
In the present invention, any chemical substance that can be absorbed or adsorbed by the polymer thin film can be detected.
Particularly, in the case of detecting organic carbon, it is preferable in terms of sensitivity and the like.

【0015】上記の検出素子、光源部及び光検出器は筐
体によって一体的に保持される。検出素子に設けられた
ポリマ薄膜は平らな基板上に形成されるのが好ましい。
本発明の一つの実施の形態においては、ポリマ薄膜は高
反射基板上に形成されており、該ポリマ薄膜と化学物質
との水中での相互作用はIER法で検出される。本発明
の他の実施の形態においては、ポリマ薄膜は透明な基板
上に堆積された高反射金属膜上に形成されている。該高
反射金属膜は光源部からの光の波長以下の厚みを有し、
銀、金、クローム、シリコン及びゲルマニウムから成る
群の中から選択された材料で作られている。この実施の
形態では、ポリマ薄膜と化学物質との水中での相互作用
はSPR法とWG法とのいずれか1つによって検出され
る。
The detection element, the light source section and the photodetector are integrally held by the housing. The polymer thin film provided on the detection element is preferably formed on a flat substrate.
In one embodiment of the present invention, the polymer thin film is formed on a highly reflective substrate, and the interaction between the polymer thin film and the chemical substance in water is detected by the IER method. In another embodiment of the invention, the polymer thin film is formed on a highly reflective metal film deposited on a transparent substrate. The highly reflective metal film has a thickness equal to or less than the wavelength of light from the light source unit,
It is made of a material selected from the group consisting of silver, gold, chrome, silicon and germanium. In this embodiment, the interaction between the polymer thin film and the chemical substance in water is detected by one of the SPR method and the WG method.

【0016】ポリマ薄膜の厚さは10μm以下であるこ
とが好ましく、更に好ましくは5μm以下、一層好まし
くは3μm以下である。前記光源部は、可視光又は赤外
線を放射するレーザダイオード(LD)或いは発光ダイ
オード(LED)であることが、また、前記光検出器は
フォトダイオード又はフォトトランジスタであることが
望ましい。光検出器の出力は電気回路に与えられ、これ
により、水中の化学物質の濃度を表す信号が求まる。
The thickness of the polymer thin film is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, still more preferably 3 μm or less. The light source unit is preferably a laser diode (LD) or a light emitting diode (LED) that emits visible light or infrared light, and the photodetector is preferably a photodiode or a phototransistor. The output of the photodetector is applied to an electrical circuit, which determines a signal representative of the concentration of chemicals in the water.

【0017】[0017]

【作用】本発明においては、ポリマ薄膜は水中の化学物
質を吸収又は吸着することによって直接応答し、そのよ
うな相互作用の結果、ポリマ薄膜の厚さ及び/又は屈折
率が変化する。このような物理的変化は水中の化学物質
の濃度と関係するので、こうした物理的変化をIER
法、SPR法および導波モード法等の光学的方法により
測定することにより、水中の化学物質の濃度を求めるこ
とができる。
In the present invention, the polymer film responds directly by absorbing or adsorbing chemicals in water, such interaction resulting in a change in the polymer film thickness and / or refractive index. Since such physical changes are related to the concentration of chemical substances in water, these physical changes are
The concentration of the chemical substance in the water can be determined by measuring with an optical method such as the method, the SPR method and the guided mode method.

【0018】上記の3つの光学的方法において、水中の
化学物質の濃度を、固定した検出角度における反射光強
度の関数として測定してもよい。WG法の場合、化学物
質の濃度は、ポリマ薄膜における反射率又は導波モード
の角度位置の関数として測定される。
In the above three optical methods, the concentration of chemicals in water may be measured as a function of the reflected light intensity at a fixed detection angle. In the case of the WG method, the chemical concentration is measured as a function of the reflectance in the polymer thin film or the angular position of the guided mode.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】ある種のポリマ薄膜(これについ
ては後述する)は、有機炭素等の化学物質を吸収または
吸着することにより、その厚さ及び/又は屈折率を変化
させる。本発明は、ポリマ薄膜のこうした物理的変化を
測定することによって、水中の化学物質を検知するもの
である。以下、本発明に係る光学的センサの若干の実施
の形態を説明する。なお、以下の図面において、同じ又
は同様の構成要素は同じ参照数字で指し示すこととし、
重複した説明は省略する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Certain polymer thin films (described below) change their thickness and / or refractive index by absorbing or adsorbing chemicals such as organic carbon. The present invention detects chemicals in water by measuring these physical changes in polymer thin films. Hereinafter, some embodiments of the optical sensor according to the present invention will be described. In the following drawings, the same or similar components will be indicated by the same reference numerals,
Duplicate description is omitted.

【0020】図1は、本発明に係る光学的センサの第1
の実施の形態の構成を概略的に示す図であり、この実施
の形態においてはIER法を利用する。図1の(A)に
おいて、光学的センサ1は、検出素子2と、検出素子2
に入射角θで光を入射させるように光を放射する光源部
3と、光源部3から発出されてポリマ薄膜22で反射さ
れた光の強度を検出するための第1の光検出器4とを備
えている。
FIG. 1 shows a first optical sensor according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the embodiment of FIG. 2. In this embodiment, the IER method is used. In FIG. 1A, the optical sensor 1 includes a detection element 2 and a detection element 2
A light source unit 3 that emits light so that light is incident on the light source 3 at an incident angle θ; and a first photodetector 4 for detecting the intensity of light emitted from the light source unit 3 and reflected by the polymer thin film 22. Is equipped with.

【0021】検出素子2は基板5の一方の表面に配置さ
れ、図1の(B)に示すとおり、平らな反射基板21上
に形成されていて水に接するポリマ薄膜22を有する。
反射基板21は高反射性の基板であることが好ましく、
例えば、鏡、半導体、金属、又は、金属材料或いは半導
体材料を低反射性基板上に堆積させた薄膜でよい。
The detection element 2 is disposed on one surface of the substrate 5, and has a polymer thin film 22 formed on a flat reflective substrate 21 and in contact with water, as shown in FIG. 1B.
The reflective substrate 21 is preferably a highly reflective substrate,
For example, it may be a mirror, a semiconductor, a metal, or a thin film in which a metal material or a semiconductor material is deposited on a low reflective substrate.

【0022】光源部3は光源31とビームスプリッタ3
2と偏光板33とを有している。光源31は、レーザダ
イオード(LD)或いは発光ダイオード(LED)であ
って、可視光或いは赤外線を放射する。光源31から出
た光はビームスプリッタ32によって二分され、そのう
ちの一方の光は偏光板33を通過して偏光させられてか
ら検出素子2のポリマ薄膜22上へ入射される。ポリマ
薄膜22から反射された光は窓41を通過して第1の光
検出器4に入り、その強度が検出される。ビームスプリ
ッタ32により二分された光のうちの他方の光は第2の
光検出器6に入射され、参照用の光強度を表す信号に変
換される。
The light source unit 3 includes a light source 31 and a beam splitter 3.
2 and a polarizing plate 33. The light source 31 is a laser diode (LD) or a light emitting diode (LED) and emits visible light or infrared light. The light emitted from the light source 31 is divided into two by a beam splitter 32, and one of the lights passes through a polarizing plate 33 to be polarized and then enters the polymer thin film 22 of the detection element 2. The light reflected from the polymer thin film 22 passes through the window 41 and enters the first photodetector 4, and its intensity is detected. The other light of the light divided into two by the beam splitter 32 is incident on the second photodetector 6 and converted into a signal indicating the light intensity for reference.

【0023】第1の光検出器4及び第2の光検出器6は
フォトダイオード又はフォトトランジスタであり、これ
らの光検出器4、6の出力は適宜の電子回路へ伝えら
れ、第2の光検出器6の出力に対する第1の光検出器4
の出力の比が求められ、この比を用いて、化学物質の濃
度を表す信号が生成される。
The first photodetector 4 and the second photodetector 6 are photodiodes or phototransistors, and the outputs of these photodetectors 4 and 6 are transmitted to an appropriate electronic circuit to generate the second photodetector. First photodetector 4 for output of detector 6
The ratio of the outputs of the two is determined, and this ratio is used to generate a signal representative of the concentration of the chemical.

【0024】光源部3、第1の光検出器4及び第2の光
検出器6は筐体7の適所に取り付けられ、筐体7は、基
板5との間で水路8を形成するように、且つ、検出素子
2のポリマ薄膜22が水に接するように、基板5に対し
て取り付けられる。なお、偏光板33を通過した光は、
光の電場ベクトルがポリマ薄膜22への入射面に垂直と
なるs偏光であることが好ましい。
The light source unit 3, the first photodetector 4 and the second photodetector 6 are attached to the housing 7 at appropriate positions so that the housing 7 forms a water channel 8 with the substrate 5. Further, the polymer thin film 22 of the detection element 2 is attached to the substrate 5 so as to come into contact with water. The light passing through the polarizing plate 33 is
It is preferable that the electric field vector of light is s-polarized light that is perpendicular to the plane of incidence on the polymer thin film 22.

【0025】IER法は、薄い誘電体膜から反射される
光の強度が該誘電体膜の厚さに依存するという事実に基
づいて、水に接したポリマ薄膜22の厚さ及び/又は屈
折率の変化を検知するために利用される。ポリマ薄膜2
2は、水中の化学物質を吸収または吸着することによ
り、その厚さ及び/又は屈折率を変化させる。そこで、
光源部3によってポリマ薄膜22を照射すると、ポリマ
薄膜22の厚さ及び/又は屈折率の変化は、ポリマ薄膜
22から反射される光の強度の変化として現れるので、
この反射光の強度を測定することにより、水中の化学物
質の濃度を測定することができる。
The IER method is based on the fact that the intensity of light reflected from a thin dielectric film depends on the thickness of the dielectric film, and the thickness and / or refractive index of the polymer thin film 22 in contact with water. Is used to detect changes in the. Polymer thin film 2
2 absorbs or adsorbs a chemical substance in water to change its thickness and / or refractive index. Therefore,
When the polymer thin film 22 is irradiated by the light source unit 3, a change in the thickness and / or the refractive index of the polymer thin film 22 appears as a change in the intensity of the light reflected from the polymer thin film 22,
By measuring the intensity of this reflected light, the concentration of the chemical substance in the water can be measured.

【0026】図2は、図1に示す光学的センサにおける
検出素子のポリマ薄膜をシリコン基板上に形成し、該ポ
リマ薄膜を水中に置いたときの、ポリマ薄膜の厚さとs
偏光入射光の反射率との関係(IER法によって求めた
ときの反射率曲線)である。実線は入射角θが80°の
場合、点線は入射角θが70°の場合を示しており、ポ
リマ薄膜の屈折率は1.50である。
FIG. 2 shows the thickness and s of the polymer thin film when the polymer thin film of the detection element in the optical sensor shown in FIG. 1 is formed on a silicon substrate and the polymer thin film is placed in water.
It is a relationship with the reflectance of polarized incident light (reflectance curve obtained by the IER method). The solid line shows the case where the incident angle θ is 80 °, the dotted line shows the case where the incident angle θ is 70 °, and the refractive index of the polymer thin film is 1.50.

【0027】ポリマ薄膜22の厚さは、数nmから10
μmまでの範囲で任意に設定可能であるが、IER法に
よってポリマ薄膜22の厚さを適切に検出するために
は、該厚さは図2の反射率曲線の最小値から離れた値に
設定することが望ましい。また、図2の反射率曲線か
ら、入射角θが大きいほど反射率の変調が大きくなる
(厚さの変化に対する反射率変化が大きい)ことがわか
り、入射角θは70°、好ましくは70°よりも大きい
角度がよい。
The thickness of the polymer thin film 22 is several nm to 10 nm.
The thickness can be arbitrarily set within a range of up to μm, but in order to properly detect the thickness of the polymer thin film 22 by the IER method, the thickness is set to a value apart from the minimum value of the reflectance curve of FIG. It is desirable to do. Further, it can be seen from the reflectance curve of FIG. 2 that the greater the incident angle θ, the greater the modulation of the reflectance (the greater the change in reflectance with respect to the change in thickness), and the incident angle θ is 70 °, preferably 70 °. A larger angle is better.

【0028】図3は、本発明に係る光学的センサの第2
の実施の形態の構成を概略的に示す図で、(B)は
(A)における検出素子の構造の一部を拡大して示す図
である。この第2の実施の形態は、ポリマ導波路を使用
する点で図1の第1の実施の形態と相違する。
FIG. 3 shows a second optical sensor according to the present invention.
2B is a diagram schematically showing the configuration of the embodiment of FIG. 3B, and FIG. 3B is an enlarged view showing a part of the structure of the detection element in FIG. The second embodiment differs from the first embodiment of FIG. 1 in that a polymer waveguide is used.

【0029】図3の(A)及び(B)において、プリズ
ム9の底面91上に金属層23を堆積させ、この金属層
23の上に、ポリマ導波路となるポリマ薄膜22を形成
して検出素子2が形成される。プリズム9は、水の流入
口11と水の流出口12とを有するフローセル10に対
して、ポリマ薄膜22がフローセル10内を流れる水に
面するように取り付けられる。光源部3からの偏光され
た光は、プリズム9の内部全反射角よりも大きい角度で
プリズム9の底面91に入射され、底面91で反射され
た光の強度は第1の光検出器4によって測定される。金
属層23は光源31から放射される光の波長以下の厚み
を有し、銀、金、クローム、シリコン或いはゲルマニウ
ムで構成されることが好ましい。
3A and 3B, a metal layer 23 is deposited on the bottom surface 91 of the prism 9, and a polymer thin film 22 serving as a polymer waveguide is formed on the metal layer 23 for detection. The element 2 is formed. The prism 9 is attached to a flow cell 10 having a water inlet 11 and a water outlet 12 such that the polymer thin film 22 faces the water flowing in the flow cell 10. The polarized light from the light source unit 3 is incident on the bottom surface 91 of the prism 9 at an angle larger than the total internal reflection angle of the prism 9, and the intensity of the light reflected by the bottom surface 91 is determined by the first photodetector 4. To be measured. The metal layer 23 has a thickness equal to or less than the wavelength of the light emitted from the light source 31, and is preferably composed of silver, gold, chrome, silicon or germanium.

【0030】光源31から放射された光がプリズム9の
底面91で全反射される時にエバネッセント波が生じ、
このエバネッセント波によりポリマ薄膜22内部に導波
モードの光波が励振される。こうしたポリマ薄膜での導
波モードの励振、即ち光結合は、プリズム9の底面91
におけるエバネッセント波ベクトルの接線成分が導波モ
ードの光波の波数ベクトルと等しくなる入射角で最も強
い。したがって、そのような条件の下では、光源31か
らの入射光のエネルギーはポリマ薄膜22の内部の導波
モードの光波へ移行し、金属層23からの反射光の強度
は鋭く減少する。
When the light emitted from the light source 31 is totally reflected by the bottom surface 91 of the prism 9, an evanescent wave is generated,
This evanescent wave excites a guided mode light wave inside the polymer thin film 22. Excitation of the guided mode in such a polymer thin film, that is, optical coupling is performed by the bottom surface 91 of the prism 9.
The strongest is at the angle of incidence where the tangential component of the evanescent wave vector at is equal to the wave number vector of the light wave of the guided mode. Therefore, under such a condition, the energy of the incident light from the light source 31 shifts to the light wave of the guided mode inside the polymer thin film 22, and the intensity of the reflected light from the metal layer 23 sharply decreases.

【0031】そこで、光源31からの光の入射角θを変
えてポリマ薄膜22の反射率を測定すると、ある共振結
合角度において反射率曲線の鋭い減衰として導波モード
の光波の励起を認めることができる。図4は、2μm厚
のポリ(メタクリル酸オクタデシル−co−メタクリル
酸グリシジル)[以下、ポリ(ODMA−co−GLM
A)と称する]で構成されている検出素子2に入射する
光の入射角θに対するポリマ薄膜22の反射率の変化を
表す実験値を示しており、4つの導波モードTM1、T
2、TM3、TM4が確認できる。ポリ(ODMA−c
o−GLMA)は、材質SF11ガラス(波長632.
8nmにおける屈折率は1.7780である)の直角プ
リズムの底面に蒸着された厚さ50nmの金の表面にス
ピンコートすることにより形成される。ポリ(ODMA
−co−GLMA)の水中での屈折率は約1.46であ
り、水及び金の屈折率よりも大きいので、ポリ(ODM
A−co−GLMA)は導波路として機能する。
Therefore, when the reflectance of the polymer thin film 22 is measured by changing the incident angle θ of the light from the light source 31, it is possible to recognize the excitation of the optical wave of the guided mode as a sharp attenuation of the reflectance curve at a certain resonance coupling angle. it can. FIG. 4 shows 2 μm thick poly (octadecyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate) [hereinafter poly (ODMA-co-GLM
A), the experimental value showing the change of the reflectance of the polymer thin film 22 with respect to the incident angle θ of the light incident on the detection element 2 is shown, and the four guided modes TM 1 , T
M 2 , TM 3 and TM 4 can be confirmed. Poly (ODMA-c
o-GLMA) is made of SF11 glass (wavelength 632.
The refractive index at 8 nm is 1.7780) and is formed by spin coating on the surface of gold with a thickness of 50 nm deposited on the bottom surface of a rectangular prism. Poly (ODMA
-Co-GLMA) has a refractive index in water of about 1.46, which is higher than those of water and gold, and thus poly (ODM).
A-co-GLMA) functions as a waveguide.

【0032】ポリマ薄膜22が水中の化学物質と応答す
るとき、即ち、化学物質を吸収又は吸着するとき、ポリ
マ薄膜22の厚さ及び/又は屈折率が変化し、ある導波
モードを励振させる共振結合角度がシフトすることにな
る。そのような角度のシフトは化学物質の濃度の関数で
ある。このように、ある導波モードの共振結合角度のシ
フトを測定することによって、水中の化学物質の濃度を
検知することができる。図5は、ポリマ薄膜22が2p
pmのトルエンに応答するときの導波モードTM4(図
4)の共振結合角度のシフトδを示している。なお、実
線はトルエンが0ppmのときのポリマ薄膜の入射角と
反射率との関係を、点線はポリマ薄膜が2ppmのトル
エンに応答した後の入射角と反射率との関係を示してい
る。
When the polymer thin film 22 responds to a chemical substance in water, that is, when it absorbs or adsorbs a chemical substance, the thickness and / or the refractive index of the polymer thin film 22 change to cause resonance that excites a certain guided mode. The bond angle will shift. Such an angular shift is a function of chemical concentration. Thus, by measuring the shift of the resonant coupling angle of a certain guided mode, the concentration of the chemical substance in water can be detected. In FIG. 5, the polymer thin film 22 has a thickness of 2p.
4 shows the resonant coupling angle shift δ of guided mode TM 4 (FIG. 4) in response to pm of toluene. The solid line shows the relationship between the incident angle and the reflectance of the polymer thin film when toluene is 0 ppm, and the dotted line shows the relationship between the incident angle and the reflectance after the polymer thin film responds to 2 ppm of toluene.

【0033】共振結合角度のシフトを測定する代わり
に、光源31からの光の入射角θを導波モードの共振の
一方の側に固定し、検出素子2からの反射光の強度の変
化を測定することにより、水中の化学物質の濃度を検知
することができる。共振は非常に鋭いので、非常に小さ
な共振結合角度のシフトであっても大きな反射率変化と
なって現れる。
Instead of measuring the shift of the resonance coupling angle, the incident angle θ of the light from the light source 31 is fixed to one side of the resonance of the guided mode, and the change in the intensity of the reflected light from the detecting element 2 is measured. By doing so, the concentration of the chemical substance in the water can be detected. Since the resonance is very sharp, even a very small shift of the resonant coupling angle will result in a large reflectance change.

【0034】少なくとも1つの導波モードを支持するた
めには、図3に示すポリマ薄膜22は十分な厚さを持っ
ていることが必要である。例えば、水中での屈折率が
1.45であるポリマ薄膜22がTE0モードを有する
ためのカットオフ厚さは約284nmである。ポリマ薄
膜2の厚さがこのカットオフ厚さ以下であるとき、いか
なる導波モードもポリマ薄膜2内に存在し得ない。しか
し、表面プラズマ共振(surface plasmo
n resonance。以下、SPRと称する)とい
う別の現象を観察することは可能である。
The polymer thin film 22 shown in FIG. 3 must have a sufficient thickness to support at least one guided mode. For example, the cutoff thickness for the polymer thin film 22 having a refractive index in water of 1.45 to have the TE 0 mode is about 284 nm. When the thickness of the polymer film 2 is below this cut-off thickness, no guided mode can exist in the polymer film 2. However, surface plasma resonance (surface plasma)
n resonance. Hereinafter, it is possible to observe another phenomenon called SPR).

【0035】表面プラズモンは、金属境界に存在してい
る自由電子のプラズマ振動であり、このプラズマ振動
は、金属の近接表面の物質の屈折率によって影響を受け
る。例えば、図3に示す構成の光学的センサにおけるプ
リズム9の底面91にp偏光光を入射させ、内部全反射
によりエバネッセント波を生じさせることにより、表面
プラズマ振動を励起することができる。このプラズマ振
動は、プリズム9の底面91でのエバネッセント波ベク
トルの接線成分が金属層23に関してポリマ薄膜22と
は反対の界面(即ち、基板側)のプラズマ波の波数ベク
トルに一致する入射角θで励起される。このとき、入射
光のエネルギーがプラズマ波に移行し、反射光強度が鋭
く減衰する。この現象が表面プラズマ共振(SPR)で
ある。SPRの共振結合角度の位置は金属表面上のポリ
マ薄膜の屈折率に強く依存するので、SPR法を利用し
ても、水中の化学物質を検知することができる。
Surface plasmons are plasma oscillations of free electrons existing at the metal boundary, and the plasma oscillations are affected by the index of refraction of the material on the near surface of the metal. For example, surface plasma vibration can be excited by causing p-polarized light to enter the bottom surface 91 of the prism 9 in the optical sensor having the configuration shown in FIG. 3 and causing an evanescent wave by total internal reflection. This plasma oscillation is at an incident angle θ at which the tangential component of the evanescent wave vector on the bottom surface 91 of the prism 9 matches the wave number vector of the plasma wave at the interface (that is, the substrate side) opposite to the polymer thin film 22 with respect to the metal layer 23. Be excited. At this time, the energy of the incident light is transferred to the plasma wave, and the reflected light intensity is sharply attenuated. This phenomenon is surface plasma resonance (SPR). Since the position of the resonance coupling angle of SPR strongly depends on the refractive index of the polymer thin film on the metal surface, the chemical substance in water can be detected even by using the SPR method.

【0036】入射光の入射角θを変えて内部全反射光の
反射率を測定すると、ある共振結合角度での反射率の鋭
い減衰としてSPRを実験的に観察することができる。
SPRの観察例として、図6は、材質SF11ガラス
(波長632.8nmにおける屈折率は1.7780であ
る)の直角プリズムの底面上に蒸着された厚さ50nm
の金の表面にスピンコートされた厚さ107nmのポリ
(ODMA−co−GLMA)を用いて構成される図3
の光学的センサの反射率が入射角θに対してどのように
変化するかを示す反射率曲線(SPR曲線)である。
When the reflectance of the totally internally reflected light is measured while changing the incident angle θ of the incident light, SPR can be experimentally observed as a sharp attenuation of the reflectance at a certain resonance coupling angle.
As an example of SPR observation, FIG. 6 shows a thickness of 50 nm deposited on the bottom surface of a rectangular prism made of SF11 glass (having a refractive index of 1.7780 at a wavelength of 632.8 nm).
Constructed using 107 nm thick poly (ODMA-co-GLMA) spin coated on the gold surface of FIG.
3 is a reflectance curve (SPR curve) showing how the reflectance of the optical sensor changes with respect to the incident angle θ.

【0037】図3に示す構成を持ち且つSPR法を利用
する他の光学的センサも実現可能である。この光学的セ
ンサの入力光もp偏光光であるが、ポリマ薄膜は薄い程
よく、好ましくは数nm〜数百nmの範囲がよい。これ
は、表面プラズモンは表面現象であって、金属の表面か
ら数nm〜数百nm離れた位置で生じる変化に敏感だか
らである。ポリマ薄膜が水中で化学物質を吸収または吸
着し、ポリマ薄膜が膨潤して厚さ及び/又は屈折率が変
化することにより、SPRの共振結合角度がシフトす
る。したがって、SPRの共振結合角度のシフトを測定
することによって、又は光源からの光の入射角をSPR
の共振結合角度に固定し、ポリマ薄膜からの反射光の強
度変化を測定することにより、水中の化学物質の濃度を
検知することが可能となる。
Other optical sensors having the configuration shown in FIG. 3 and utilizing the SPR method are also feasible. The input light of this optical sensor is also p-polarized light, but the thinner the polymer thin film is, the better, and it is preferably in the range of several nm to several hundred nm. This is because the surface plasmon is a surface phenomenon and is sensitive to a change occurring at a position several nm to several hundred nm away from the surface of the metal. The polymer thin film absorbs or adsorbs a chemical substance in water, and the polymer thin film swells to change the thickness and / or the refractive index, thereby shifting the resonant coupling angle of the SPR. Therefore, by measuring the shift of the resonant coupling angle of SPR or by measuring the incident angle of light from the light source by SPR
It is possible to detect the concentration of the chemical substance in the water by fixing the resonance coupling angle of (3) and measuring the intensity change of the reflected light from the polymer thin film.

【0038】ポリマ薄膜の厚さ及び/又は屈折率の変化
は、ポリマ薄膜の周囲の温度の変化によっても影響を受
けるので、本発明に係る光学式センサの検出結果は温度
変動する。それゆえ、高感度測定のためには、温度制御
技術或いは温度補償技術が必要となる場合がある。これ
には、温度制御された筺体を使用する方法、温度補正用
信号を発生させる温度センサを用いる方法、及び、温度
に敏感なポリマ薄膜を使って複数チャンネル素子とする
等の手段により温度補正用の信号を出力させるか実験的
に温度補償因子を決定する方法等が適用可能である。
Since the change in the thickness and / or the refractive index of the polymer thin film is also influenced by the change in the temperature around the polymer thin film, the detection result of the optical sensor according to the present invention changes with temperature. Therefore, high-sensitivity measurement may require temperature control technology or temperature compensation technology. For this purpose, a temperature-controlled housing is used, a temperature sensor that generates a temperature-correction signal is used, and a temperature-sensitive polymer thin film is used to form a multi-channel device. It is possible to apply the method of outputting the signal of 1 or experimentally determining the temperature compensation factor.

【0039】更に、本発明に係る光学的センサは、複数
の検出素子を備えることができ、水中の複数の化学物質
の混合物の濃度を測定することができる。これを達成す
るために、 水中の複数種類の化学物質に対する応答が低い又は小
さいポリマ薄膜を用いること、 各々が水中の異種の化学物質に対して選択的に応答す
る複数のポリマ薄膜を用い、これらのポリマ薄膜の応答
を組み合わせることにより、水中の複数の化学物質の混
合物の濃度を示す信号を出力すること、 各々が水中の同じ又は異なる化学物質に対して異なる
応答を示す複数のポリマ薄膜を用い、これらのポリマの
応答を組み合わせることにより、水中の複数の化学物質
の混合物の濃度を示す信号を出力すること、 上記の一つ又は複数のポリマ薄膜をIER法、SPR
法又はWG法等の光学的手法と組み合わせて用いること
により、水中の複数の化学物質の混合物の濃度を示す信
号を出力すること、が可能である。
Furthermore, the optical sensor according to the present invention can be provided with a plurality of detection elements and can measure the concentration of a mixture of a plurality of chemical substances in water. To achieve this, use polymer films that have low or low response to multiple chemicals in water, and use multiple polymer films that each selectively respond to different chemicals in water. To output a signal indicating the concentration of a mixture of multiple chemicals in water by combining the responses of the polymer thin films of, using multiple polymer thin films each showing different responses to the same or different chemicals in water. Outputting a signal indicating the concentration of a mixture of a plurality of chemical substances in water by combining the responses of these polymers, the one or more polymer thin films described above by the IER method, SPR
It is possible to output a signal indicating the concentration of a mixture of a plurality of chemical substances in water by using it in combination with an optical method such as the WT method or the WG method.

【0040】更に、化学物質の全量や個々の化学物質又
は化学物質群の濃度を精確に決定するために、複数チャ
ンネルの光学的センサと共に、マトリックス解析、ニュ
ラルネットワーク解析等の公知のパターン認識技術を適
用することが可能である。
Further, in order to accurately determine the total amount of chemical substances or the concentrations of individual chemical substances or chemical substance groups, well-known pattern recognition techniques such as matrix analysis and neural network analysis together with a multi-channel optical sensor. Can be applied.

【0041】本発明に係る光学的センサに用いられるポ
リマ薄膜22の材料としては、下記の繰り返し単位、即
Materials for the polymer thin film 22 used in the optical sensor according to the present invention include the following repeating units:

【化2】 を有するホモポリマ又はコポリマが好適である。Embedded image Homopolymers or copolymers having the following are preferred.

【0042】式中、Xは、−H、−F、−Cl、−B
r、−CH3、−CF3、−CN又は−CH2−CH3を表
し、R1は−R2又は−Z−R2を表し、Zは、−O−、
−S−、−NH−、−NR2′−、−(C=Y)−、−
(C=Y)−Y−、−Y−(C=Y)−、−(SO2
−、−Y′−(SO2)−、−(SO2)−Y′、−Y′
−(SO2)−Y′−、−NH−(C=O)−、−(C
=O)−NH−、−(C=O)−NR2′−、−Y′−
(C=Y)−Y′−又は−O−(C=O)−(CH2n
−(C=O)−O−を表し、Yは、同一の又は異なるO
又はSを表し、Y′は、同一の又は異なるO又はNHを
表し、nは0〜20の整数を表し、R2及びR2′は、同
一の又は異なる水素、直鎖アルキル基、分枝アルキル
基、シクロアルキル基、不飽和炭化水素基、アリール
基、飽和若しくは不飽和ヘテロ環、又はそれらの置換体
を表す。但し、R1は水素、直鎖アルキル基、分枝アル
キル基でない。
In the formula, X is --H, --F, --Cl, --B.
r, -CH 3, represents -CF 3, -CN or -CH 2 -CH 3, R 1 represents -R 2 or -Z-R 2, Z is, -O-,
-S -, - NH -, - NR 2 '-, - (C = Y) -, -
(C = Y) -Y -, - Y- (C = Y) -, - (SO 2)
-, - Y '- (SO 2) -, - (SO 2) -Y', - Y '
- (SO 2) -Y '- , - NH- (C = O) -, - (C
= O) -NH -, - ( C = O) -NR 2 '-, - Y'-
(C = Y) -Y'- or -O- (C = O) - ( CH 2) n
Represents-(C = O) -O-, and Y is the same or different O.
Or S, Y ′ represents the same or different O or NH, n represents an integer of 0 to 20, R 2 and R 2 ′ represent the same or different hydrogen, linear alkyl group, branched It represents an alkyl group, a cycloalkyl group, an unsaturated hydrocarbon group, an aryl group, a saturated or unsaturated heterocycle, or a substitution product thereof. However, R 1 is not hydrogen, a linear alkyl group, or a branched alkyl group.

【0043】式中、Xは好ましくはHまたはCH3であ
り、R1は好ましくは置換若しくは非置換アリール基又
は−Z−R2であり、Zは好ましくは−O−、−(C=
O)−O−、又は、−O−(C=O)−であり、R2
好ましくは直鎖アルキル基、分枝アルキル基、シクロア
ルキル基、不飽和炭化水素基、アリール基、飽和若しく
は不飽和ヘテロ環又はそれらの置換体である。
In the formula, X is preferably H or CH 3 , R 1 is preferably a substituted or unsubstituted aryl group or --Z--R 2 , and Z is preferably --O--,-(C =
O) -O- or -O- (C = O)-, and R 2 is preferably a linear alkyl group, a branched alkyl group, a cycloalkyl group, an unsaturated hydrocarbon group, an aryl group, a saturated or It is an unsaturated heterocycle or a substitution product thereof.

【0044】ポリマ薄膜22に使用されるポリマは、単
一の繰り返し単位(I)のみから成るポリマでも、他の
繰り返し単位と上記の繰り返し単位(I)とから成るコ
ポリマでも、上記の繰り返し単位(I)の二種類以上か
ら成るコポリマでもよい。コポリマ中の繰り返し単位の
配列はいかなるものでもよく、例えば、ランダムコポリ
マ、交互コポリマ、ブロックコポリマ又はグラフトコポ
リマを使用することができる。特に、ポリマ薄膜22
は、ポリメタクリル酸エステル類、ポリアクリル酸エス
テル類から調製されるのが好ましい。エステルの側鎖基
は、好ましくは直鎖若しくは分枝アルキル基又はシクロ
アルキル基であり、炭素数は好ましくは4〜22であ
る。
The polymer used for the polymer thin film 22 may be a polymer consisting of only a single repeating unit (I), a copolymer consisting of another repeating unit (I) or the repeating unit (I), or the repeating unit (I) above. It may be a copolymer composed of two or more types of I). The arrangement of the repeating units in the copolymer can be any, for example, random copolymers, alternating copolymers, block copolymers or graft copolymers can be used. In particular, the polymer thin film 22
Is preferably prepared from polymethacrylic acid esters and polyacrylic acid esters. The side chain group of the ester is preferably a straight-chain or branched alkyl group or a cycloalkyl group, and preferably has 4 to 22 carbon atoms.

【0045】ポリマ薄膜22に特に好適なポリマは、 ポリ(メタクリル酸ドデシル) ポリ(メタクリル酸イソデシル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−メタク
リル酸メチル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−スチレ
ン) ポリ(メタクリル酸メチル−co−アクリル酸2−エチ
ルヘキシル) ポリ(メタクリル酸メチル−co−メタクリル酸2−エ
チルヘキシル) ポリ(メタクリル酸イソブチル−co−メタクリル酸グ
リシジル) ポリ(メタクリル酸シクロヘキシル) ポリ(メタクリル酸オクタデシル) ポリ(メタクリル酸オクタデシル−co−スチレン) ポリ(プロピオン酸ビニル) ポリ(メタクリル酸ドデシル−co−スチレン) ポリ(メタクリル酸ドデシル−co−メタクリル酸グリ
シジル) ポリ(メタクリル酸ブチル) ポリ(メタクリル酸ブチル−co−メタクリル酸メチ
ル) ポリ(メタクリル酸ブチル−co−メタクリル酸グリシ
ジル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−メタク
リル酸グリシジル) ポリ(メタクリル酸シクロヘキシル−co−メタクリル
酸グリシジル) ポリ(メタクリル酸シクロヘキシル−co−メタクリル
酸メチル) ポリ(メタクリル酸ベンジル−co−メタクリル酸2−
エチルヘキシル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−ジアセ
トンアクリルアミド) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−メタク
リル酸ベンジル−co−メタクリル酸グリシジル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−メタク
リル酸メチル−co−メタクリル酸グリシジル) ポリ(桂皮酸ビニル)ポリ(メタクリル酸ブチル−co
−メタクリル酸) ポリ(桂皮酸ビニル−co−メタクリル酸ドデシル) ポリ(メタクリル酸テトラヒドロフルフリル) ポリ(メタクリル酸ヘキサデシル) ポリ(メタクリル酸2−エチルブチル) ポリ(メタクリル酸2−ヒドロキシエチル) ポリ(メタクリル酸シクロヘキシル−co−メタクリル
酸イソブチル) ポリ(メタクリル酸シクロヘキシル−co−メタクリル
酸2−エチルヘキシル) ポリ(メタクリル酸ブチル−co−メタクリル酸2−エ
チルヘキシル) ポリ(メタクリル酸ブチル−co−メタクリル酸イソブ
チル) ポリ(メタクリル酸シクロヘキシル−co−メタクリル
酸ブチル) ポリ(メタクリル酸シクロヘキシル−co−メタクリル
酸ドデシル) ポリ(メタクリル酸ブチル−co−メタクリル酸エチ
ル) ポリ(メタクリル酸ブチル−co−メタクリル酸オクタ
デシル) ポリ(メタクリル酸ブチル−co−スチレン) ポリ(4−メチルスチレン) ポリ(メタクリル酸シクロヘキシル−co−メタクリル
酸ベンジル) ポリ(メタクリル酸ドデシル−co−メタクリル酸ベン
ジル) ポリ(メタクリル酸オクタデシル−co−メタクリル酸
ベンジル) ポリ(メタクリル酸ベンジル−co−メタクリル酸テト
ラヒドロフルフリル) ポリ(メタクリル酸ベンジル−co−メタクリル酸ヘキ
サデシル) ポリ(メタクリル酸ドデシル−co−メタクリル酸メチ
ル) ポリ(メタクリル酸ドデシル−co−メタクリル酸エチ
ル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−メタク
リル酸ドデシル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−メタク
リル酸オクタデシル) ポリ(メタクリル酸2−エチルブチル−co−メタクリ
ル酸ベンジル)) ポリ(メタクリル酸テトラヒドロフルフリル−co−メ
タクリル酸グリシジル) ポリ(スチレン−co−アクリル酸オクタデシル) ポリ(メタクリル酸オクタデシル−co−メタクリル酸
グリシジル) ポリ(4−メトキシスチレン) ポリ(メタクリル酸2−エチルブチル−co−メタクリ
ル酸グリシジル) ポリ(スチレン−co−メタクリル酸テトラヒドロフル
フリル) ポリ(メタクリル酸2−エチルヘキシル−co−メタク
リル酸プロピル) ポリ(メタクリル酸オクタデシル−co−メタクリル酸
イソプロピル) ポリ(3−メチル−4−ヒドロキシスチレン−co−4−
ヒドロキシスチレン) ポリ(スチレン−co−メタクリル酸2−エチルヘキシ
ル−co−メタクリル酸グリシジル) である。
Polymers particularly suitable for the polymer thin film 22 are poly (dodecyl methacrylate) poly (isodecyl methacrylate) poly (2-ethylhexyl methacrylate) poly (2-ethylhexyl methacrylate-co-methyl methacrylate) poly (methacryl) Acid 2-ethylhexyl-co-styrene) poly (methyl methacrylate-co-2-ethylhexyl acrylate) poly (methyl methacrylate-co-2-ethylhexyl methacrylate) poly (isobutyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate) poly (Cyclohexyl methacrylate) Poly (octadecyl methacrylate) Poly (octadecyl methacrylate-co-styrene) Poly (vinyl propionate) Poly (dodecyl methacrylate-co-styrene) Poly (dodecyl methacrylate) -Co-glycidyl methacrylate) poly (butyl methacrylate) poly (butyl methacrylate-co-methyl methacrylate) poly (butyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate) poly (2-ethylhexyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate ) Poly (cyclohexyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate) Poly (cyclohexyl methacrylate-co-methyl methacrylate) Poly (benzyl methacrylate-co-methacrylic acid 2-
Ethylhexyl Poly (2-ethylhexyl methacrylate-co-diacetone acrylamide) Poly (2-ethylhexyl methacrylate-co-benzyl-methacrylate-co-glycidyl methacrylate) Poly (2-ethylhexyl methacrylate-co-methyl methacrylate) co-glycidyl methacrylate) poly (vinyl cinnamate) poly (butyl methacrylate-co
-Methacrylic acid) poly (vinyl cinnamate-co-dodecyl methacrylate) poly (tetrahydrofurfuryl methacrylate) poly (hexadecyl methacrylate) poly (2-ethylbutyl methacrylate) poly (2-hydroxyethyl methacrylate) poly (methacrylic) Acid cyclohexyl-co-isobutyl methacrylate) poly (cyclohexyl methacrylate-co-2-ethylhexyl methacrylate) poly (butyl methacrylate-co-2-ethylhexyl methacrylate) poly (butyl methacrylate-co-isobutyl methacrylate) poly (Cyclohexyl methacrylate-co-butyl methacrylate) Poly (cyclohexyl methacrylate-co-dodecyl methacrylate) Poly (butyl methacrylate-co-ethyl methacrylate) Poly (meth Butyl methacrylate-co-octadecyl methacrylate) Poly (butyl methacrylate-co-styrene) Poly (4-methylstyrene) Poly (cyclohexyl methacrylate-co-benzyl methacrylate) Poly (dodecyl methacrylate-co-benzyl methacrylate) ) Poly (octadecyl methacrylate-co-benzyl methacrylate) Poly (benzyl methacrylate-co-tetrahydrofurfuryl methacrylate) Poly (benzyl methacrylate-co-hexadecyl methacrylate) Poly (dodecyl methacrylate-co-methyl methacrylate) ) Poly (dodecyl methacrylate-co-ethyl methacrylate) Poly (2-ethylhexyl methacrylate-co-dodecyl methacrylate) Poly (2-ethylhexyl methacrylate-co-octademethacrylate) Poly) (2-ethylbutyl methacrylate-co-benzyl methacrylate)) poly (tetrahydrofurfuryl methacrylate-co-glycidyl methacrylate) poly (styrene-co-octadecyl acrylate) poly (octadecyl methacrylate-co-methacryl) Glycidyl acidate) Poly (4-methoxystyrene) Poly (2-ethylbutyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate) Poly (styrene-co-tetrahydrofurfuryl methacrylate) Poly (2-ethylhexyl methacrylate-co-propyl methacrylate) Poly (octadecyl methacrylate-co-isopropyl methacrylate) Poly (3-methyl-4-hydroxystyrene-co-4-
Hydroxystyrene) Poly (styrene-co-2-ethylhexyl methacrylate-co-glycidyl methacrylate).

【0046】なお、上記のメタクリル酸エステルポリマ
又はコポリマにおいて、メタクリル酸に代えてアクリル
酸を用いてもよい。また、上記のポリマは、それ自体架
橋することが可能であるが、該ポリマ中に架橋用の反応
性基を有する化合物を導入することによって架橋するこ
とも可能である。そのような架橋用の反応性基として
は、例えば、アミノ基、水酸基、カルボキシル基、エポ
キシ基、カルボニル基及びウレタン基並びにそれらの誘
導体や、マレイン酸、フマル酸、ソルビン酸、イタコン
酸及び桂皮酸並びにそれらの誘導体を挙げることができ
る。可視光、紫外光又は高エネルギー放射線の照射によ
ってカルベン又はニトレンを形成することが可能な化学
構造を有する物質もまた架橋剤として使用し得る。架橋
ポリマによって形成された薄膜は不溶性なので、ポリマ
を架橋することにより、ポリマ薄膜22の安定性を増す
ことができる。架橋方法には特に制限はなく、従来公知
の架橋方法、例えば加熱による方法の他に、光や放射線
の照射による方法を用いることができる。
In the above methacrylic acid ester polymer or copolymer, acrylic acid may be used instead of methacrylic acid. The above polymer can be cross-linked by itself, but can be cross-linked by introducing a compound having a cross-linking reactive group into the polymer. Examples of such a reactive group for crosslinking include an amino group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an epoxy group, a carbonyl group and a urethane group and derivatives thereof, and maleic acid, fumaric acid, sorbic acid, itaconic acid and cinnamic acid. And their derivatives. Substances having a chemical structure capable of forming carbene or nitrene upon irradiation with visible light, ultraviolet light or high-energy radiation can also be used as a crosslinking agent. Since the thin film formed by the cross-linked polymer is insoluble, the stability of the polymer thin film 22 can be increased by cross-linking the polymer. The crosslinking method is not particularly limited, and conventionally known crosslinking methods such as heating and irradiation with light or radiation can be used.

【0047】[0047]

【実施例】以下、本発明に係る光学的センサの若干の実
施例について説明する。
EXAMPLES Some examples of the optical sensor according to the present invention will be described below.

【0048】実施例1:図7は、水中のトルエンの濃度
が4ppmの場合に、図3に示す構成の光学的センサの
応答が時間的にどのように変化したかを曲線で示したも
のである。検出素子は、SF11ガラス製の直角プリズ
ムの底面に厚さ50nmに蒸着された金の上にスピンコ
ートされた厚さ2μmのポリ(ODMA−co−GLM
A)から成る。光源は波長670nmのレーザーダイオ
ードであり、該レーザーダイオードからの光を二分して
参照ビームと測定ビームを作り、参照ビームは参照用の
シリコン・フォトダイオードへ送り、一方、測定ビーム
は偏光板を通してp偏光として直角プリズムの底面へ入
射させた。測定ビームの入射角は、図5に示すTM4
波モードの共振の低い方の角度に設定された。プリズム
の底面で反射された測定ビームの強度を測定用のシリコ
ン・フォトダイオードで測定したところ、図4に示すよ
うな4つの導波モードが観察された。
Example 1 FIG. 7 is a curve showing how the response of the optical sensor having the structure shown in FIG. 3 changed with time when the concentration of toluene in water was 4 ppm. is there. The detection element was a poly (ODMA-co-GLM) having a thickness of 2 μm spin-coated on gold having a thickness of 50 nm deposited on the bottom surface of a right-angle prism made of SF11 glass.
It consists of A). The light source is a laser diode having a wavelength of 670 nm, and the light from the laser diode is divided into two to form a reference beam and a measurement beam, and the reference beam is sent to a silicon photodiode for reference, while the measurement beam passes through a polarizing plate to p The light was made incident on the bottom surface of the rectangular prism as polarized light. The incident angle of the measurement beam was set to the lower angle of resonance of the TM 4 guided mode shown in FIG. When the intensity of the measurement beam reflected by the bottom surface of the prism was measured with a silicon photodiode for measurement, four guided modes as shown in FIG. 4 were observed.

【0049】参照用と測定用の2つのフォトダイオード
の出力は電子的除算器へ供給され、参照用のフォトダイ
オードの出力に対する測定用のフォトダイオードの出力
の比を求め、この比を電気回路へ供給して、光学的セン
サの応答を表す出力信号を得た。この測定の結果、水中
のトルエンの場合、検出限界は濃度1ppmよりも小さ
く、90%応答時間(完全応答に達するまでに要する時
間)は3分以内であることがわかった。
The outputs of the two photodiodes, one for the reference and one for the measurement, are supplied to an electronic divider, and the ratio of the output of the photodiode for the measurement to the output of the photodiode for the reference is obtained, and this ratio is sent to an electric circuit. An output signal was obtained which was representative of the response of the optical sensor. As a result of this measurement, it was found that in the case of toluene in water, the detection limit was smaller than the concentration of 1 ppm, and the 90% response time (time required to reach a complete response) was within 3 minutes.

【0050】実施例2:図8は、実施例1で使用したの
と同じ光学的センサの応答が水中のトルエンの濃度と共
にどう変化したかを示している。ただし、光学的センサ
からの応答は、トルエンの濃度の変化に対する反射率の
変化として測定されている。この測定から、光学的セン
サが水中の濃度0〜20ppmのトルエンに対して線形
の応答をすることがわかった。
Example 2 : FIG. 8 shows how the response of the same optical sensor used in Example 1 varied with the concentration of toluene in water. However, the response from the optical sensor is measured as the change in reflectance with respect to the change in concentration of toluene. From this measurement, it was found that the optical sensor has a linear response to toluene having a concentration of 0 to 20 ppm in water.

【0051】実施例3:図9は、水中のトルエンの濃度
が20ppmの場合に、実施例1で使用したのと同じ光
学的センサの出力信号がどのように時間的に変化したか
を示している。ただし、この測定で使用した光学的セン
サのポリマ薄膜は厚さ107nmのポリ(ODMA−c
o−GLMA)の層より成り、光源は波長632.8n
mのヘリウムーネオン・レーザーである。この107n
mの厚さのポリマ薄膜を用いることにより、図6に示す
ような表面プラズマ共振が観察された。
Example 3 : FIG. 9 shows how the output signal of the same optical sensor used in Example 1 changed with time when the concentration of toluene in water was 20 ppm. There is. However, the polymer thin film of the optical sensor used in this measurement was made of poly (ODMA-c) with a thickness of 107 nm.
o-GLMA) and the light source has a wavelength of 632.8n.
It is a m-helium-neon laser. This 107n
By using a polymer thin film with a thickness of m, the surface plasma resonance as shown in FIG. 6 was observed.

【0052】p偏光とされた測定ビームのプリズムの底
面に対する入射角は60.82°で、この角度は、SP
R法における共振結合角度を示す図6においては、小さ
い入射角の側にある。光学的センサの出力信号を時間の
函数として記録したところ、濃度20ppmのトルエン
に応答して出力信号は増大していき、90%応答時間は
3分前後であった。
The incident angle of the p-polarized measurement beam with respect to the bottom surface of the prism is 60.82 °, and this angle is SP.
In FIG. 6 showing the resonance coupling angle in the R method, it is on the side of a small incident angle. When the output signal of the optical sensor was recorded as a function of time, the output signal increased in response to toluene having a concentration of 20 ppm, and the 90% response time was around 3 minutes.

【0053】実施例4:図1に示す構成のIER法によ
る光学的センサを用いて、水中の濃度0〜300ppm
のトルエンを測定した。検出素子は、シリコン基板上に
スピンコートされた厚さ1.95μmのポリ(ODMA
−co−GLMA)の層を有しており、図1に示すよう
に筐体に取り付けて、吸引により水を筐体内に導入し
た。光源は波長670nmの光を放出するレーザーダイ
オードであった。このレーザーダイオードからの光を二
分して参照ビームと測定ビームとの2つのビームを作っ
た。測定ビームを、偏光板によって直線偏光されたs偏
光光とし、ガラス製の窓を通して入射角80°でポリマ
薄膜に入射させた。
Example 4 Using an optical sensor according to the IER method having the structure shown in FIG. 1, the concentration in water is 0 to 300 ppm.
Of toluene was measured. The detection element is poly (ODMA) with a thickness of 1.95 μm spin-coated on a silicon substrate.
-Co-GLMA) and was attached to the housing as shown in Figure 1 and water was introduced into the housing by suction. The light source was a laser diode emitting light of wavelength 670 nm. The light from this laser diode was divided into two beams, a reference beam and a measurement beam. The measurement beam was s-polarized light that was linearly polarized by a polarizing plate and was made incident on the polymer thin film at an incident angle of 80 ° through a glass window.

【0054】ポリマ薄膜で反射された測定ビームの強度
を測定用のシリコン・フォトダイオードによって測定
し、参照ビームの強度は参照用のシリコン・フォトダイ
オードで測定した。これら2つのシリコン・フォトダイ
オードの出力を電子的除算器に供給し、参照用のシリコ
ン・フォトダイオードの出力の測定用のシリコン・フォ
トダイオードの出力に対する比を求め、これを使って電
気回路により出力信号を得た。図10は、この実施例4
における光学的センサによって測定された反射率を、水
中のトルエンの濃度の函数としてプロットしたもので、
光学的センサの応答は濃度0〜300ppmの範囲では
線形でないことがわかる。
The intensity of the measurement beam reflected by the polymer thin film was measured by a silicon photodiode for measurement, and the intensity of the reference beam was measured by a silicon photodiode for reference. The outputs of these two silicon photodiodes are fed to an electronic divider, the ratio of the output of the reference silicon photodiode to the output of the measuring silicon photodiode is determined, and is used by the electrical circuit to output Got the signal. FIG. 10 shows the fourth embodiment.
Is a plot of the reflectance measured by the optical sensor at, as a function of the concentration of toluene in water,
It can be seen that the response of the optical sensor is not linear in the concentration range of 0-300 ppm.

【0055】実施例5:水中のDOCを検出するために
は、検出対象である多くのDOCに対してポリマ薄膜が
応答することが望ましい。そこで、厚さ2μmのポリ
(ODMA−co−GLMA)の層を有する実施例1に
おける光学的センサを用いて、水中の多数のDOCを測
定したところ、その測定結果は下記の表のようになっ
た。この表において、「感度」は反射率の変化を百分率
で表した値であり、「時間」は90%応答時間を表して
いる。
Example 5 : In order to detect DOC in water, it is desirable that the polymer thin film responds to many DOCs to be detected. Therefore, a large number of DOCs in water were measured using the optical sensor in Example 1 having a poly (ODMA-co-GLMA) layer having a thickness of 2 μm, and the measurement results are as shown in the following table. It was In this table, "sensitivity" is a value representing the change in reflectance as a percentage, and "time" is a 90% response time.

【0056】[0056]

【表1】 有機化合物 濃度(ppm) 感度 時間(分) トルエンC78 2 41.72 6 ベンゼンC66 2 10.34 4 クロロベンゼンC65Cl 2 87.07 9 ニトロベンゼンC65NO2 2 23.28 1.5 P−キシレンC810 2 126.86 15 クロロフォルムCHCl3 2 8.71 3 四塩化炭素CCl4 2 21.55 11.5 1、2−ジクロロエタンCH2CH2Cl 2 6.03 1.5 ジクロロメタンCH2Cl2 2 1.38 1 ジエチルエーテルC410O 100 11.21 1.5 テトラヒドロフランO(CH24 100 9.48 1 アセトンC36 500 8.62 1 プロパノールC38O 500 6.03 1 メタノールCH4O 500 0.00 酢酸C242 500 3.45 <1 塩酸HCl 2000 25 <1 硫酸H2SO4 2000 6.67 <1[Table 1] Organic compound concentration (ppm) Sensitivity time (min) Toluene C 7 H 8 2 41.72 6 Benzene C 6 H 6 2 10.34 4 Chlorobenzene C 6 H 5 Cl 2 87.07 9 Nitrobenzene C 6 H 5 NO 2 2 23.28 1.5 P-xylene C 8 H 10 2 126.86 15 Chloroform CHCl 3 2 8.71 3 Carbon tetrachloride CCl 4 2 21.55 11.5 1,2-dichloroethane CH 2 CH 2 Cl 2 6.03 1.5 Dichloromethane CH 2 Cl 2 2 1.38 1 Diethyl ether C 4 H 10 O 100 11.21 1.5 Tetrahydrofuran O (CH 2 ) 4 100 9.48 1 Acetone C 3 H 6 500 8.62 1 Propanol C 3 H 8 O 500 6.03 1 Methanol CH 4 O 500 0.00 Acetic acid C 2 H 4 O 2 500 3.45 <1 Hydrochloric acid HCl 2000 25 <1 Sulfuric acid H 2 SO 4 2000 6.67 <1

【0057】この表から、光学的センサの感度及び応答
時間が検出対象のDOCの種類に応じて変動することが
わかる。したがって、種々の工業的応用及び環境保護的
応用において多くのDOCを検出するためには、検出素
子の配列、ポリマ薄膜の配列又はセンサの配列を備える
多チャンネル・システムが必要である。また、DOCの
全量や個々のDOC又はDOC群の濃度を精確に決定す
るために、こうした多チャンネル・システムと共に、マ
トリックス解析、ニュラルネットワーク解析等の公知の
パターン認識技術を用いることが可能である。
From this table, it can be seen that the sensitivity and response time of the optical sensor vary depending on the type of DOC to be detected. Therefore, in order to detect many DOCs in various industrial and environmental applications, a multi-channel system with an array of detector elements, an array of polymer films or an array of sensors is needed. Further, in order to accurately determine the total amount of DOC or the concentration of each DOC or DOC group, known pattern recognition techniques such as matrix analysis and neural network analysis can be used together with such a multi-channel system. .

【0058】なお、こうしたパターン認識技術について
は、“Anal. Chem.”1088、60、28
01−2811に掲載されたSusan L. Ros
e−Pehrsson他著「Detection of
Hazardous Vapors Includi
ng Mixtures Using Pattern
Recognition Analysis of
Responsesfrom Surface Aco
ustic Wave Device」という題の論
文、“Sensors and Materials”
Vol.1(1995)013−022に掲載されたS
ang−Mok Chang他著「Developme
nt of Odorant Sensor Usin
g SAW Response Oscillator
IncorporatingOdorant−Sen
sitive LB Films and Neura
l−Network Pattern Recogni
tionScheme」という題の論文、“Senso
rs and Actuators B”26−27
(1995)126−134に掲載されたAndrea
s Hierlemann他著「Polymer−ba
sed sensor arrays and mul
ticomponent analysis for
the detection of hazardou
s organic vapoursin the e
nvironment」という題の論文等に記載されて
いる。
Regarding such a pattern recognition technique, "Anal. Chem." 1088, 60, 28.
01-2811, Susan L. et al. Ros
e-Pehrsson et al., "Detection of
Hazardous Vapors Includi
ng Mixtures Using Pattern
Recognition Analysis of
Responses from Surface Aco
"Sensors and Materials," a paper titled "Ustic Wave Device."
Vol. 1 (1995) 013-022 S
ang-Mok Chang et al., “Development”
nt of Odorant Sensor Usin
g SAW Response Oscillator
IncorporatingOdorant-Sen
sitive LB Films and Neura
l-Network Pattern Recogni
"Sion Scheme", "Senso"
rs and Actuators B "26-27
(1995) 126-134.
s Hierlemann et al., "Polymer-ba"
sed sensor arrays and mul
ticomponent analysis for
the detection of hazardou
s organic vapors in the e
nvironment ”.

【0059】[0059]

【発明の効果】以上、本発明を若干の実施の形態及び実
施例により詳細に説明したところから明らかなとおり、
従来の技術で説明した光ファイバーセンサと比べると、
本発明に係る光学的センサにおいては、化学物質と相互
作用したポリマ薄膜の厚さ及び/又は屈折率の変化をI
ER法、WG法又はSPR法のような光学的方法によっ
て直接検出するようにしたので、こうした厚さ及び/又
は屈折率の僅かな変化をも高感度に検知することが可能
であり、また、ポリマ薄膜はスピンコーティングのよう
な一般的方法によって容易に形成することができるの
で、光学的センサの製造自体が容易になるという格別の
効果を奏することができる。
As is apparent from the above description of the present invention in detail with reference to some embodiments and examples,
Compared with the optical fiber sensor described in the prior art,
In the optical sensor according to the present invention, the change in the thickness and / or the refractive index of the polymer thin film interacting with the chemical substance is
Since the direct detection is performed by an optical method such as the ER method, the WG method, or the SPR method, it is possible to detect such a slight change in the thickness and / or the refractive index with high sensitivity. Since the polymer thin film can be easily formed by a general method such as spin coating, it is possible to obtain a special effect that the manufacturing of the optical sensor itself is facilitated.

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

【図1】(A)は本発明に係る光学的センサの第1の実
施の形態の構成を概略的に示す図であり、(B)は検出
素子の構成を示す図である。
FIG. 1A is a diagram schematically showing a configuration of a first embodiment of an optical sensor according to the present invention, and FIG. 1B is a diagram showing a configuration of a detection element.

【図2】図1の光学的センサにおけるポリマ薄膜の厚さ
と反射率との関係を表す反射率曲線を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a reflectance curve showing the relationship between the thickness of a polymer thin film and the reflectance in the optical sensor of FIG.

【図3】(A)は本発明に係る光学的センサの第2の実
施の形態の構成を概略的に示す図であり、(B)は検出
素子の構成を示す図である。
3A is a diagram schematically showing a configuration of a second embodiment of an optical sensor according to the present invention, and FIG. 3B is a diagram showing a configuration of a detection element.

【図4】図3の光学的センサにおけるポリマ薄膜に入射
する光の入射角と反射率との関係を表す反射率曲線を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a reflectance curve showing the relationship between the incident angle and the reflectance of light incident on the polymer thin film in the optical sensor of FIG.

【図5】図3の光学的センサにおけるポリマ薄膜を2p
pmのトルエンに応答させるときの入射角と反射率との
関係、及び、導波モードTM4の共振結合角度のシフト
を示す図である。
FIG. 5 shows a polymer thin film in the optical sensor of FIG.
It is a figure which shows the relationship between the incident angle and the reflectance when making it respond to pm toluene, and the shift of the resonant coupling angle of the waveguide mode TM 4 .

【図6】図3の光学的センサの一具体例について得られ
た入射角と反射率との関係を示す図である。
6 is a diagram showing the relationship between the incident angle and the reflectance obtained for one specific example of the optical sensor of FIG.

【図7】図3の光学的センサと同じ構成の光学的センサ
の応答が水中の4ppmのトルエンに対して時間的にど
のように変化するかを示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing how the response of an optical sensor having the same configuration as the optical sensor of FIG. 3 changes with time for 4 ppm of toluene in water.

【図8】図3の光学的センサと同じ構成の光学的センサ
の反射率が水中のトルエンの濃度に対してどのように変
化するかを示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing how the reflectance of an optical sensor having the same configuration as the optical sensor of FIG. 3 changes with respect to the concentration of toluene in water.

【図9】図3の光学的センサと同じ構成の光学的センサ
の応答が水中の20ppmのトルエンに対して時間的に
どのように変化するかを示す図である。
9 is a diagram showing how the response of an optical sensor of the same configuration as the optical sensor of FIG. 3 varies with time for 20 ppm toluene in water.

【図10】図1の光学的センサと同じ構成の光学的セン
サの反射率が水中のトルエンの濃度に対してどのように
変化するかを示す図である。
10 is a diagram showing how the reflectance of an optical sensor having the same configuration as the optical sensor of FIG. 1 changes with respect to the concentration of toluene in water.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:光学的センサ、 2:検出素子、 21:高反射基
板、22:ポリマ薄膜、 23:金属層、 3:光源
部、 31:光源、32:ビームスプリッタ、 33:
偏光板、 4:第1の光検出器、41:窓、 5:基
板、 6:第2の光検出器、 7:筐体、 8:水路、
9:プリズム、 10:フローセル、 11:流入
口、 12:流出口
1: Optical sensor, 2: Detection element, 21: High reflection substrate, 22: Polymer thin film, 23: Metal layer, 3: Light source part, 31: Light source, 32: Beam splitter, 33:
Polarizing plate, 4: first photodetector, 41: window, 5: substrate, 6: second photodetector, 7: housing, 8: water channel,
9: Prism, 10: Flow cell, 11: Inlet, 12: Outlet

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水中に溶存又は分散する化学物質を直接
検出するための光学的センサであって、 前記化学物質と相互作用するポリマ薄膜を有する検出素
子と、 前記ポリマ薄膜を照射する光を発出するための光源部
と、 前記ポリマ薄膜から反射された光の強度を検出するため
の光検出器と、を具備することを特徴とする光学的セン
サ。
1. An optical sensor for directly detecting a chemical substance dissolved or dispersed in water, comprising a detection element having a polymer thin film that interacts with the chemical substance, and emitting light for irradiating the polymer thin film. An optical sensor comprising: a light source unit for controlling the light intensity; and a photodetector for detecting the intensity of light reflected from the polymer thin film.
【請求項2】 前記化学物質が有機炭素であることを特
徴とする請求項1に記載の光学的センサ。
2. The optical sensor according to claim 1, wherein the chemical substance is organic carbon.
【請求項3】 前記ポリマ薄膜が高反射基板上に形成さ
れており、該ポリマ薄膜と前記有機炭素との水中での相
互作用をIER法で検出することを特徴とする請求項1
又は2に記載の光学的センサ。
3. The polymer thin film is formed on a highly reflective substrate, and the interaction between the polymer thin film and the organic carbon in water is detected by an IER method.
Alternatively, the optical sensor described in 2.
【請求項4】 前記ポリマ薄膜が透明な基板上に堆積さ
れた高反射金属膜上に形成されており、前記高反射金属
膜が前記光源部からの光の波長以下の厚みを有し、且
つ、銀、金、クローム、シリコン及びゲルマニウムから
成る群の中から選択された材料で作られ、該ポリマ薄膜
と有機炭素との水中での相互作用がSPR法とWG法と
のいずれか1つによって検出されることを特徴とする請
求項1又は2に記載の光学的センサ。
4. The polymer thin film is formed on a highly reflective metal film deposited on a transparent substrate, and the highly reflective metal film has a thickness equal to or less than a wavelength of light from the light source unit, and Made of a material selected from the group consisting of silver, gold, chrome, silicon and germanium, and the interaction of the polymer thin film with organic carbon in water is determined by one of the SPR method and the WG method. The optical sensor according to claim 1, wherein the optical sensor is detected.
【請求項5】 前記ポリマ薄膜の厚さが10μm以下で
あることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記
載の光学的センサ。
5. The optical sensor according to claim 1, wherein the polymer thin film has a thickness of 10 μm or less.
【請求項6】 前記ポリマ薄膜の材料が下記の繰り返し
単位、即ち 【化1】 (式中、Xは、−H、−F、−Cl、−Br、−C
3、−CF3、−CN又は−CH2−CH3を表し、R1
は−R2又は−Z−R2を表し、 Zは、−O−、−S−、−NH−、−NR2′−、−
(C=Y)−、−(C=Y)−Y−、−Y−(C=Y)
−、−(SO2)−、−Y′−(SO2)−、−(S
2)−Y′、−Y′−(SO2)−Y′−、−NH−
(C=O)−、−(C=O)−NH−、−(C=O)−
NR2′−、−Y′−(C=Y)−Y′−又は−O−
(C=O)−(CH2n−(C=O)−O−表し、 Yは、同一の又は異なるO又はSを表し、 Y′は、同一の又は異なるO又はNHを表し、 nは0〜20の整数を表し、 R2及びR2′は、同一の又は異なる水素、直鎖アルキル
基、分枝アルキル基、シクロアルキル基、不飽和炭化水
素基、アリール基、飽和若しくは不飽和ヘテロ環、又は
それらの置換体を表す。但し、R1は水素、直鎖アルキ
ル基、分枝アルキル基でない。式中、Xは好ましくはH
またはCH3であり、R1は好ましくは置換若しくは非置
換アリール基又は−Z−R2であり、Zは好ましくは−
O−、−(C=O)−O−、又は、−O−(C=O)−
であり、R2は好ましくは直鎖アルキル基、分枝アルキ
ル基、シクロアルキル基、不飽和炭化水素基、アリール
基、飽和若しくは不飽和ヘテロ環又はそれらの置換体で
ある。)を有するホモポリマ又はコポリマであることを
特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の光学的
センサ。
6. The material of the polymer thin film comprises the following repeating units: (In the formula, X is -H, -F, -Cl, -Br, -C.
H 3, represents -CF 3, -CN or -CH 2 -CH 3, R 1
It represents the -R 2 or -Z-R 2, Z is, -O -, - S -, - NH -, - NR 2 '-, -
(C = Y)-,-(C = Y) -Y-, -Y- (C = Y)
-, - (SO 2) - , - Y '- (SO 2) -, - (S
O 2) -Y ', - Y ' - (SO 2) -Y '-, - NH-
(C = O)-,-(C = O) -NH-,-(C = O)-
NR 2 '-, - Y' - (C = Y) -Y'- or -O-
(C = O) - (CH 2) n - (C = O) -O- represents, Y represents the same or different O or S, Y 'represents the same or different O or NH, n Represents an integer of 0 to 20, and R 2 and R 2 ′ represent the same or different hydrogen, linear alkyl group, branched alkyl group, cycloalkyl group, unsaturated hydrocarbon group, aryl group, saturated or unsaturated. Represents a heterocycle or a substitution product thereof. However, R 1 is not hydrogen, a linear alkyl group, or a branched alkyl group. In the formula, X is preferably H
Or CH 3 , R 1 is preferably a substituted or unsubstituted aryl group or —Z—R 2 , and Z is preferably —
O-,-(C = O) -O-, or -O- (C = O)-
And R 2 is preferably a linear alkyl group, a branched alkyl group, a cycloalkyl group, an unsaturated hydrocarbon group, an aryl group, a saturated or unsaturated heterocycle, or a substitution product thereof. 6. The optical sensor according to claim 1, wherein the optical sensor is a homopolymer or a copolymer.
【請求項7】 前記ポリマ薄膜の材料がメタクリル酸又
はアクリル酸エステルのポリマ又はコポリマであること
を特徴とする請求項6に記載の光学的センサ。
7. The optical sensor according to claim 6, wherein the material of the polymer thin film is a polymer or copolymer of methacrylic acid or acrylate.
【請求項8】 前記光検出器の出力を受け取る電気回路
を更に備え、該電気回路により、前記有機炭素の濃度を
表す信号を求めることを特徴とする請求項1〜7のいず
れか1つに記載の光学的センサ。
8. The electric circuit according to claim 1, further comprising an electric circuit for receiving the output of the photodetector, wherein the electric circuit obtains a signal representing the concentration of the organic carbon. The optical sensor described.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003023188A (en) * 2001-07-06 2003-01-24 Seiko Instruments Inc Method for manufacturing piezoelectric device
WO2004040271A1 (en) * 2002-10-23 2004-05-13 Sentronic Gmbh Optical measuring system
WO2004040270A1 (en) * 2002-10-23 2004-05-13 Sentronic GmbH Gesellschaft für optische Meßsysteme Optical sensor

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