JPS5924379B2 - Paramagnetic gas concentration detection device - Google Patents

Paramagnetic gas concentration detection device

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JPS5924379B2
JPS5924379B2 JP15552476A JP15552476A JPS5924379B2 JP S5924379 B2 JPS5924379 B2 JP S5924379B2 JP 15552476 A JP15552476 A JP 15552476A JP 15552476 A JP15552476 A JP 15552476A JP S5924379 B2 JPS5924379 B2 JP S5924379B2
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concentration
fluorescent
matrix
fluorescence
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英之 石田
「あきら」 石谷
聰 松本
潤 鳥飼
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Toray Industries Inc
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は常磁性ガス分子の濃度を検出するための新しい
装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a new device for detecting the concentration of paramagnetic gas molecules.

さらに詳しくは、有機化合物及び無機化合物の電子的励
起状態から発するケイ光の常磁性ガス分子による消光現
象を利用してガス中及び液中の常磁性ガス濃度を高感度
で迅速に検出するための簡便な装置に関するものである
。酸素は化学工業、鉄鋼、火力発電などの燃料用酸素ガ
スを必要とする分野、ファインケミカル、食品工業、医
学等の制御された一定の酸素濃度を必要とする分野及び
環境分野等において極めて重要な役割をはたしている。
More specifically, we will use the phenomenon of quenching of fluorescence emitted from the electronically excited states of organic and inorganic compounds by paramagnetic gas molecules to quickly and sensitively detect paramagnetic gas concentrations in gases and liquids. This relates to a simple device. Oxygen plays an extremely important role in fields that require oxygen gas for fuel such as the chemical industry, steel, and thermal power generation, as well as fields that require a controlled and constant oxygen concentration such as fine chemicals, food industry, medicine, and the environmental field. is playing.

そのため酸素濃度を正確かつ迅速に検出制御することは
夫々の分野において重要な問題であり、これまで種々の
タイプの酸素濃度検出装置が考案され実際に用いられて
きた。その中の代表的なものとして■(a)固体電池方
式(固体電解質を用いた濃淡電池の起電力測定)■(b
)磁気式(O2の磁化率又は磁気圧力の測定)■(c)
電気化学方式(O2のカソード反応による電流又は起電
力測定)をあげることができる。(a)の方式では酸素
イオン導電体である固体電解質の作動温度(普通800
℃〜1000℃)に昇温して測定するため防爆性が最も
問題にされている。(b)の方式の酸素計がプロセス用
として最も多く用いられているが、測定精度、感度に難
点があるとされている。又、(c)の方式の酸素計は安
価ではあるが、安定性、保守性、感度、応答速度等に問
題があるといわれている。一方、No、N02(以下N
Oxと略す)濃度を計測するN0x計は環境規制上公害
計測機器として最近その重要性が増加し種々のタイプの
N0x計が開発されているが、現在ケミルミ法(No+
03→NO2*+02によるNO2のケイ光の測定)が
保守性、感度等の点から主流を占めつつある。
Therefore, accurate and rapid detection and control of oxygen concentration is an important problem in each field, and various types of oxygen concentration detection devices have been devised and put into actual use. Typical of these are ■ (a) Solid state battery method (measurement of electromotive force of concentration batteries using solid electrolytes) ■ (b
) Magnetic type (measurement of magnetic susceptibility or magnetic pressure of O2)■(c)
An example is an electrochemical method (measurement of current or electromotive force by cathodic reaction of O2). In method (a), the operating temperature of the solid electrolyte, which is an oxygen ion conductor (usually 800
Since the temperature is raised to 1000°C (1,000°C to 1,000°C) for measurement, explosion-proofing is the most important issue. The oxygen meter of type (b) is most commonly used for process applications, but it is said to have drawbacks in measurement accuracy and sensitivity. Further, although the oxygen meter of the method (c) is inexpensive, it is said to have problems with stability, maintainability, sensitivity, response speed, etc. On the other hand, No, N02 (hereinafter N
The NOx meter, which measures the concentration of NOx (abbreviated as Ox), has recently become increasingly important as a pollution measurement device in terms of environmental regulations, and various types of NOx meters have been developed.
Measurement of NO2 fluorescence using 03→NO2*+02) is becoming mainstream in terms of maintainability, sensitivity, etc.

しかしながら、低濃度(1pμm前後)検出可能な装置
は高価となり低価格、高感度の新しいタイプのN0x計
の開発が特に環境濃度の測定のために要望されている。
O2、No、N02等の電子親和力の大きな(電荷移動
相互作用の大きい)常磁性ガス分子は気相、液相、固相
において有機化合物のケイ光(励起一重項状態からの発
光)及びリン光(励起三重項状態からの発光)に対して
極めて著しい消光作用を示すことは良く知られている。
However, devices capable of detecting low concentrations (around 1 pμm) are expensive, and the development of a new type of low-cost, high-sensitivity NOx meter is in demand, especially for measuring environmental concentrations.
Paramagnetic gas molecules with high electron affinity (large charge transfer interaction) such as O2, No, and N02 emit fluorescence (emission from an excited singlet state) and phosphorescence of organic compounds in the gas, liquid, and solid phases. It is well known that it exhibits an extremely significant quenching effect on (emission from an excited triplet state).

02の場合を例として説明すれば、発光強度と酸素濃度
との間には次式で示されるステルンーボルマ一(Ste
rnVOlmer)の式が成立することが多くの有機化
合物について確認されている。
To explain the case of 02 as an example, there is a relationship between the emission intensity and the oxygen concentration as shown by the following equation.
It has been confirmed that the formula rnVOlmer) holds true for many organic compounds.

10/I−1+K「τ(イ)2〕・・・・・・・・・(
1)10は酸素分子の存在しない時(例えばN2下)の
発光強度、Iはある一定の酸素濃度下での発光強度、K
,は消光反応速度定数(通常液相、気相では拡散律速反
応の速度定数)、τはケイ光叉はリン光寿命である。
10/I-1+K “τ(i)2〕・・・・・・・・・(
1) 10 is the emission intensity in the absence of oxygen molecules (e.g. under N2), I is the emission intensity under a certain oxygen concentration, K
, is the quenching reaction rate constant (usually the rate constant of diffusion-limited reaction in the liquid phase or gas phase), and τ is the fluorescence or phosphorescence lifetime.

一定の条件下では、(1)式中のK ・τの項は一
q定と考らられること及び02以外のN2、C
O2、H2、Ar.H2O、炭化水素等の通常のガス分
子はほとんど消光作用を示さないこと等から、IO、I
の測定により02濃度を測定することが可能となる。
Under certain conditions, the term K ・τ in equation (1) becomes equal to
Considered to be q constant and N2 other than 02, C
O2, H2, Ar. Since ordinary gas molecules such as H2O and hydrocarbons have almost no quenching effect, IO, I
By measuring , it becomes possible to measure the 02 concentration.

最近このような消光現象を利用した実用的な02濃度検
出装置に関する提案が1〜2為されている。
Recently, one or two proposals have been made regarding a practical 02 concentration detection device that utilizes such a quenching phenomenon.

光学的方式又は電気回路等の点で少しずつ差異はあるが
装置は大きくわけて以下の3つのコンポーネント:(1
)ケイ光物質を保持しその発光が周囲の02又はNOx
濃度に比例的に消光されるセンサー部;(2)ケイ光物
質を励起するための励起源;(3)ケイ光強度の変化を
検出記録する計測部によつて構成される。(2)及び(
3)に関しては近年著しく進歩した各種の光源及び測光
技術等が容易に適用できることから、本方法による02
計、NOx計開発の課題は高感度で応答速度の速い安定
なセンサー部にあるとされている。本方法のポイントと
なるセンサー部に関してこれまで以下に示す3種のセン
サー形態が提案されている:(a)多孔性ガラス(PO
rOusVycOrGlass)シリカゲル等のような
表面積の大きな多孔体にケイ光物質を吸着させたもの;
(b)基体上の均一フイルム状の溶媒にケイ光物質を溶
解したもの;(c)ポリエチレン等のウエイフア一状ポ
リマーにケイ光物質を分散させたもの。
Although there are slight differences in terms of optical methods and electrical circuits, the device can be broadly divided into the following three components: (1
) Holds a fluorescent material and its luminescence releases surrounding 02 or NOx
It is composed of a sensor section that quenches light in proportion to the concentration; (2) an excitation source for exciting the fluorescent substance; and (3) a measuring section that detects and records changes in fluorescence intensity. (2) and (
Regarding 3), since various light sources and photometry techniques, etc., which have been significantly advanced in recent years, can be easily applied, this method can be used to
The challenge in developing a NOx meter is said to be a stable sensor with high sensitivity and fast response speed. Regarding the sensor part, which is the key point of this method, the following three types of sensor forms have been proposed so far: (a) Porous glass (PO
rOusVycOrGlass) A material in which a fluorescent substance is adsorbed onto a porous material with a large surface area, such as silica gel;
(b) A fluorescent substance dissolved in a solvent in the form of a uniform film on a substrate; (c) A fluorescent substance dispersed in a wafer-like polymer such as polyethylene.

(a)の方法は簡単で高感度ではあるが水分及び有機物
質の吸着によつてセンサー特性が影響をうけやすいだけ
でなく吸着により耐光性が著しく低下するためセンサー
としては極めて不安定である。
Although method (a) is simple and highly sensitive, it is extremely unstable as a sensor because not only the sensor characteristics are easily affected by the adsorption of moisture and organic substances, but also the light resistance is significantly reduced by the adsorption.

(b)の方法は有機系の溶媒を用いるため溶媒の蒸発及
び流出等によるセンサーの経時変化が問題となる。又液
中への溶媒の溶解及び流出のため液中の溶存02の測定
は不可能である。(c)の方法は経時変化も少なく安定
ではあるがマトリツクスポリマ一のガス透過係数が感度
及び応答速度を大きく左右するためポリエチレン等のよ
うな一般的なポリマーマトリツクスではセンサーとして
の機能を果すことができない(後述)。
Since the method (b) uses an organic solvent, there is a problem in that the sensor changes over time due to evaporation and outflow of the solvent. Furthermore, it is impossible to measure dissolved O2 in the liquid because of the dissolution and flow of the solvent into the liquid. Method (c) is stable with little change over time, but because the gas permeability coefficient of the matrix polymer greatly affects sensitivity and response speed, it cannot function as a sensor with a general polymer matrix such as polyethylene. cannot be done (see below).

本発明は各種ポリマーのガス透過係数とセンサー特性に
関する分光学的な詳しい検討によつて達成されたもので
あり、上記(c)の方法を更に改良発展させたものであ
る。本発明の目的は前記欠点を改良した高感度で応答速
度の速い、安定なセンサー部を有する小型軽量で安価な
ガス中及び液中の常磁性ガス濃度測定計を提供すること
にある。
The present invention was achieved through detailed spectroscopic studies on the gas permeability coefficients and sensor properties of various polymers, and is a further improvement and development of the method (c) above. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a small, lightweight, and inexpensive paramagnetic gas concentration meter for gases and liquids that has improved the above-mentioned drawbacks and has a highly sensitive, fast response, and stable sensor section.

本発明のこのような目的は;ポリマーマトリツクス中に
ケイ光物質を分散させたフイルム状物からなるセンサー
部、前記ケイ光物質を励起するための励起源、およびケ
イ光強度の変化を検出記録する計測部によつて構成され
る常磁性ガス分子の濃度検出装置において、前記ポリマ
ーマトリツクスとしてシリコーン系ゴムから成るマトリ
ツクスを用いることによつて達成される。本発明に云う
シリコーン系ゴムとは、 Si−0−の結合を主鎖に含む高分子化合物を指称する
These objects of the present invention include: a sensor section consisting of a film-like material in which a fluorescent substance is dispersed in a polymer matrix; an excitation source for exciting the fluorescent substance; and a sensor for detecting and recording changes in fluorescence intensity. This is achieved by using a matrix made of silicone rubber as the polymer matrix in a paramagnetic gas molecule concentration detection device constituted by a measuring section. The silicone rubber referred to in the present invention refers to a polymer compound containing a Si-0- bond in its main chain.

この中特に望ましいポリマーは、メチル基、エチル基、
フエニル基、ビニル基、トリフルオロ基等の側鎖基を有
する各種のRTV(ROOmTemperatureV
ulcanizatiOn)シリコーンゴム、LTV(
LOwTemperatureVulcanizati
On)シリコーンゴム、熱加硫型シリコーンゴム等の単
独またはそれらの混合物である。
Among these, particularly desirable polymers include methyl group, ethyl group,
Various RTVs (ROOmTemperature V
ulcanizatiOn) silicone rubber, LTV (
LOWTemperatureVulcanizati
On) Silicone rubber, heat-curable silicone rubber, etc. alone or a mixture thereof.

本発明においてはマトリツクスフイルムのガス透過係数
を大巾に低下させない範囲内で、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリメチルメ
タアクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフ
タレート、ポリカーボネイト、ポリアミド、ポリトリメ
チルビニルシラン、ポリトリメチルシリルスチレン等の
ポリマーを前記シリコーン系ゴムに添加混合して用いる
ことも可能である。更に、ポリスルホンーポリジメチル
シロキサンプロツク共重合体、ポリカーボネートーポリ
ジメチルシロキサンプロツク共重合体等のようなシロキ
サン骨格を有するプロツク、交互共重合体及びグラフト
重合体組成物をマトリックスポリマ一として用いること
もできる。一方、ケイ光物質のケイ光特性に影響を及ぼ
さない範囲でエアロジル、シリカ、酸化メタン等の各種
の無機系充填剤及び高級アルコール、エポキシ変性シリ
コーン、シリコーン系界面活性剤等の有機系添加剤をマ
トリツクスポリマ一に添加することもまた可能である。
表1に各種マトリツクスポリマ一の02透過係数とケイ
光物質としてピレンを用いた場合の02に対するセンサ
ー特性(感度、応答速度)を示す。
In the present invention, polyethylene, polypropylene, polysulfone, polystyrene, polymethyl methacrylate, polyvinyl chloride, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyamide, polytrimethylvinylsilane, It is also possible to use a polymer such as trimethylsilylstyrene by adding it to the silicone rubber. Furthermore, blocks, alternating copolymers, and graft polymer compositions having a siloxane skeleton, such as polysulfone-polydimethylsiloxane block copolymers, polycarbonate-polydimethylsiloxane block copolymers, etc., can be used as matrix polymers. You can also do it. On the other hand, various inorganic fillers such as aerosil, silica, and methane oxide, and organic additives such as higher alcohols, epoxy-modified silicones, and silicone surfactants may be added to the extent that they do not affect the fluorescent properties of the fluorescent material. It is also possible to add it to the matrix polymer.
Table 1 shows the 02 transmission coefficients of various matrix polymers and the sensor characteristics (sensitivity, response speed) for 02 when pyrene is used as the fluorescent material.

通常の02計として計器化可能な望ましい消光感度及び
応答速度(99%)tはそれぞれ、(IN2−1air
)/1aIr〉0.5、tく5sec更に望ましくは(
IN2−1air)/1a1r〉2、tく1sec′(
′あるが、02透過係数の著しく大きい本発明のRTV
シリコーンゴム(ジメチルシロキサン骨格を有する)マ
トリツクス以外のポリマーマトリツクスはこの条件を満
たすことができない。
Desirable quenching sensitivity and response speed (99%) t that can be instrumented as a normal 02 meter are (IN2-1air
)/1aIr〉0.5, t×5sec More preferably (
IN2-1air)/1a1r〉2,tku1sec'(
'However, the RTV of the present invention has a significantly large 02 transmission coefficient.
Polymer matrices other than silicone rubber (having a dimethylsiloxane skeleton) matrix cannot satisfy this condition.

ごれはセンサーを空気にさらした場合02透過係数(溶
解・拡散)の大きなRTVシリコーンゴムの場合には空
気中の02分子がケイ光分子を保持するマトリツクスフ
イルム中にすみやかに溶解・拡散しケイ光分子と衝突(
EncOunterCOmplexの生成)することに
よりマトリツクス中の02濃度に比例的にケイ光を消光
しすみやかに定常状態に達するためであると考えられる
。方、ポリメチルメタアクリレートのような02透過係
数の小さいマトリツクスフイルムの場合には02の溶解
・拡散ともに低くて遅いため感度、応答速度ともにセン
サーとしての要求特性を満たすことができない。表1の
結果は気相中の02に対する特性を示しているが、同様
の原理でセンサー部を液と接触させ溶存02のマトリツ
クスフイルム中への溶解・拡散の挙動を利用して溶存酸
素を測定することも可能である。本発明に用いるケイ光
物質はできるだけケイ光量子収率が大きく(ケイ光強度
大)かつケイ光寿命の長い(高感度(1)式参照)こと
が好ましいが、通常、芳香族炭化水素、色素、染料類等
の有機系ケイ光体及びタングステン酸塩、モリブデン酸
塩、ウラニル塩、ケイ酸塩、酸化物、硫化物等の無機系
ケイ光体等が用いられる。
Dirt occurs when the sensor is exposed to air. In the case of RTV silicone rubber with a large 02 transmission coefficient (dissolution/diffusion), the 02 molecules in the air quickly dissolve and diffuse into the matrix film that holds the fluorescent molecules. Collisions with fluorescent molecules (
This is thought to be due to the fact that the fluorescence is quenched in proportion to the 02 concentration in the matrix and a steady state is quickly reached by the generation of EncOunterCOMplex. On the other hand, in the case of a matrix film such as polymethyl methacrylate, which has a small O2 permeability coefficient, both the dissolution and diffusion of O2 are low and slow, making it impossible to satisfy the required characteristics as a sensor in terms of both sensitivity and response speed. The results in Table 1 show the characteristics for 02 in the gas phase, and using the same principle, the sensor unit is brought into contact with the liquid and dissolved oxygen is detected by utilizing the dissolution and diffusion behavior of dissolved 02 into the matrix film. It is also possible to measure. The fluorescent substance used in the present invention preferably has as high a fluorescence quantum yield (high fluorescence intensity) as possible and a long fluorescence lifetime (high sensitivity, see formula (1)), but usually aromatic hydrocarbons, dyes, Organic phosphors such as dyes and inorganic phosphors such as tungstates, molybdates, uranyl salts, silicates, oxides, and sulfides are used.

これらの中、光検出素子の感度特性等の制限から、30
00λ〜8000λの波長範囲にケイ光スペクトルを有
しケイ光量子収率0.1以上のケイ光物質が好んで用い
られる。とりわけ、センサーの消光感度、耐光性、安定
性、再現性、マトリツクスポリマ一との相溶性・分散性
等の点から、ケイ光寿命の長い芳香族炭化水素をケイ光
物質として用いシリコーン系ゴムと組合せることにより
本発明による著しい特徴及び効果を発現させることがで
きる。
Among these, 30
A fluorescent material having a fluorescence spectrum in the wavelength range of 00λ to 8000λ and a fluorescence quantum yield of 0.1 or more is preferably used. In particular, from the viewpoints of sensor quenching sensitivity, light fastness, stability, reproducibility, compatibility and dispersibility with matrix polymers, silicone rubbers using aromatic hydrocarbons with a long fluorescent life as the fluorescent substance are preferred. By combining with the present invention, the remarkable features and effects of the present invention can be brought out.

表−2に本発明の代表的なマトリツクスポリマ一である
ジメチルシロキサン骨格を有するRTシリコーンゴムフ
イルムにケイ光寿命の異なる4種の芳香族炭化水素を分
散させた場合の感度を示す。
Table 2 shows the sensitivity when four types of aromatic hydrocarbons having different fluorescence lifetimes are dispersed in an RT silicone rubber film having a dimethylsiloxane skeleton, which is a typical matrix polymer of the present invention.

(1)式で示されるごとく消光反応が拡散モデルで取扱
える時は、一定の02濃度のもとでは感度とケイ光寿命
との間には直線関係が期待されるが、表−2の結果から
もこのことが確認される。
When the quenching reaction can be handled by a diffusion model as shown in equation (1), a linear relationship between sensitivity and fluorescence lifetime is expected at a constant 02 concentration, but the results shown in Table 2 This is also confirmed by.

これはシリコーン系マトリツクス中においては02の拡
散が速いため、ケイ光分子の消光反応の大部分は02の
拡散(EncOunterCOmplexの生成)によ
つて起こつていることを示していると考えられる。ちな
みに、直線の傾きより求めたK,((1)式参照)は1
.3×105sec−1・TOrr−1であつた。前述
したように計器化の際望ましい消光感度は少なくとも(
N2−1ai,)/1aIr〉0.5であることから、
本発明においてはケイ光寿命20×10−9sec以上
の芳香族炭化水素類が望ましく用いられる。これら条件
に該当する芳香族炭化水素としては、トリフエニレン、
ナフタレン、フエナンスレン、クリセン、ピレン、コロ
ネン、オヴアレン及びそれらの誘導体等をあげることが
できる。0.1%〜100%の02、NOx濃度の検出
には前記の通常のケイ光物質を用いることが多いが、1
ppm(気相では〜10−3T0rr)前後の低濃度の
検出にはアクリジンオレンジ、トリパフラピン等の寿命
の極めて長い(数秒)遅延ケイ光(DelayedFl
uOrescenee)を発するケイ光体が用いられる
This is considered to indicate that most of the quenching reaction of fluorescent molecules is caused by the diffusion of 02 (generation of EncCounterComplex) because 02 diffuses quickly in the silicone matrix. By the way, K calculated from the slope of the straight line (see equation (1)) is 1
.. It was 3×105 sec-1·TOrr-1. As mentioned above, the desirable quenching sensitivity for instrumentation is at least (
Since N2-1ai, )/1aIr>0.5,
In the present invention, aromatic hydrocarbons having a fluorescent life of 20×10 −9 sec or more are preferably used. Aromatic hydrocarbons that meet these conditions include triphenylene,
Examples include naphthalene, phenanthrene, chrysene, pyrene, coronene, ovalene, and derivatives thereof. 0.1% to 100%, the above-mentioned ordinary fluorescent substance is often used to detect NOx concentration, but 1
For detection of low concentrations around ppm (~10-3T0rr in the gas phase), extremely long-lived (several seconds) delayed fluorescent materials such as acridine orange and tripaflapine are used.
A phosphor emitting uOrecenee is used.

この場合には、回転セクター等を用いて短寿命のケ不光
成分を除く必要がある。本発明においてはマトリックス
ポリマ一のフイルム状物を単独でセンサー部として用い
ることもできるが、基本を用いたほうがフイルムも安定
化できるしかつ薄いフイルム(応答速度の向上)を作製
することが容易となる。適当な基体としてはガラス、鏡
、プラスチツクフイルム、プラスチツク多孔性フイルム
、絹網、ナイロン網、クロマトグラフ用紙、多孔性ガラ
ス、シリカゲル、アルミナ、モレキユラーシーブ等の加
圧成型板等がある。装置を透過型(第1図参照)に組立
てる場合には出来るだけ透過率の高い基体が望ましい。
これら基体、ケイ光分子等を用いてセンサーを作製する
方法をRTVシリコーンゴムマトリツクスを例にとり以
下に示す。
In this case, it is necessary to remove short-lived non-light components using a rotating sector or the like. In the present invention, a film-like material made of matrix polymer alone can be used as the sensor part, but it is easier to stabilize the film and make a thinner film (improved response speed) by using the basic method. Become. Suitable substrates include glass, mirrors, plastic films, porous plastic films, silk nets, nylon nets, chromatography paper, porous glass, pressure-molded plates of silica gel, alumina, molecular sieves, and the like. When assembling the device in a transmission type (see FIG. 1), it is desirable to use a substrate with as high a transmittance as possible.
A method for producing a sensor using these substrates, fluorescent molecules, etc. will be described below, taking an RTV silicone rubber matrix as an example.

RTVシリコーンゴムに用いられる液状シリコーンポリ
マー(重合度:200〜100001η:1000〜1
00000CS)はシロキサン結合を骨格とし末端反応
基として−SlOH、−SiOMelSiCl、−Sl
CH=CH2、−SlOCOR等を有し側鎖基としては
メチル基、エチル基、フエニル基等を含むものが用いら
れる。
Liquid silicone polymer used in RTV silicone rubber (degree of polymerization: 200-100001η: 1000-1
00000CS) has a siloxane bond as a skeleton and terminal reactive groups as -SlOH, -SiOMelSiCl, -Sl
Those having CH=CH2, -SlOCOR, etc. and containing a methyl group, ethyl group, phenyl group, etc. as side chain groups are used.

上記液状シリコーンポリマー(5〜60wt%)とアセ
トキシシラン、アルコキシシラン、アミノシラン等の架
橋剤(0〜20wt%)及び縮合又は付加反応の触媒と
なる有機スズ化合物等の触媒(0〜5Wt%)をナフサ
、ベンゼン、トルエンクロロホルム、シクロヘキサン、
ヘキサン等の有機溶媒(40〜90wt%)に溶解した
後、ケイ光物質を硬化後結晶が析出しない濃度範囲10
−6M〜10−2M(シリコーンポリマーに対して)で
溶解する。
The above liquid silicone polymer (5 to 60 wt%), a crosslinking agent such as acetoxysilane, alkoxysilane, or aminosilane (0 to 20 wt%), and a catalyst such as an organotin compound that becomes a catalyst for condensation or addition reaction (0 to 5 wt%). naphtha, benzene, toluene, chloroform, cyclohexane,
After dissolving in an organic solvent such as hexane (40 to 90 wt%) and curing the fluorescent material, the concentration range is 10, at which crystals do not precipitate.
Soluble between -6M and 10-2M (based on silicone polymer).

適当な基体上にこれら溶液を展開し0〜100℃で放置
し硬化させる。センサーの応答速度等の点から基体上の
フイルムの厚みは300μ以下が望ましい。ケイ光分子
のシリコーンマトリツクスとの相溶性、耐昇華性を向上
させるため、高級アルコール、エポキシ変性シリコーン
、シリコーン系界面活性剤等の各種添加剤を硬化前に添
加することが多い。又02による消光反応によつて生成
する活性な一重項酸素を効率よく失活させるため、ケイ
光特性に影響を及ぼさない範囲でβ一カロチン、トリエ
チレンジアミン等の一重項酸素のクエンチヤ一を硬化液
に添加し、センサーの耐光性を向上させることができる
。液状シリコーンポリマー溶液に溶解しにくいケイ光物
質の場合には両者を混合・混練後基体上に展開し硬化さ
せる。センサー表面をゴミ、水滴等から保護する場合又
は溶存酸素の測定をする場合などは、センサーの表面に
更にポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフル
オライド、ポリエチレン等のうすい多孔フイルムの層を
もうけて測定するほうが安定でありセンサーの寿命をの
ばすことができるので好ましい。本発明の装置は、常磁
性ガス特に02及びNOxの濃度検出に有効に用いられ
るが、NOx計(測定濃度10ppb〜1000ppm
)として用いる場合には大気中の02(21%、約20
0000ppm)が妨害成分として働くためあらかじめ
測定ガスから02を除きNOx成分を分離及び/又は濃
縮する装置、更にはNO→NO2又はNO2→NO変換
のコンバーターが必要となつてくる。
These solutions are spread on a suitable substrate and allowed to stand at 0 to 100°C to harden. In view of the response speed of the sensor, etc., the thickness of the film on the substrate is preferably 300 μm or less. In order to improve the compatibility of fluorescent molecules with the silicone matrix and the sublimation resistance, various additives such as higher alcohols, epoxy-modified silicones, and silicone surfactants are often added before curing. In addition, in order to efficiently deactivate the active singlet oxygen generated by the quenching reaction with 02, add a singlet oxygen quencher such as β-carotene or triethylenediamine to the curing solution within a range that does not affect the fluorescent properties. can be added to improve the light resistance of the sensor. In the case of a fluorescent substance that is difficult to dissolve in the liquid silicone polymer solution, the two are mixed and kneaded and then spread on a substrate and cured. To protect the sensor surface from dust, water droplets, etc., or to measure dissolved oxygen, add a thin porous film layer such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, or polyethylene on the sensor surface. This is preferable because it is more stable and can extend the life of the sensor. The device of the present invention is effectively used for detecting the concentration of paramagnetic gases, especially 02 and NOx.
) in the atmosphere (21%, about 20
0,000 ppm) acts as an interfering component, it becomes necessary to have a device that removes 02 from the measurement gas in advance and separates and/or concentrates the NOx component, as well as a converter for converting NO→NO2 or NO2→NO.

この様な装置として、固体電解質を用いた酸素ポンプに
よる分離、各種の吸着剤による吸着分離濃縮法等が用い
られる。02計として用いる場合には0.1%〜100
%の02濃度に対して作動する場合がほとんどであるの
で共存しているNOx(0.01%以下、通常大気中に
は0.0001%以下)による妨害は全く無視できる。
As such devices, separation using an oxygen pump using a solid electrolyte, adsorption separation concentration using various adsorbents, etc. are used. 0.1% to 100 when used as a 02 meter
%, so the interference caused by the coexisting NOx (0.01% or less, normally 0.0001% or less in the atmosphere) can be completely ignored.

N2、CO2、H2O.H2、Ar、炭化水素等の共存
しているガス分子による妨害はほとんどないため、本発
明による02計は極めて選択性のすぐれた高感度の02
計であるということができる。本発明の励起源としては
、低圧又は高圧水銀ランプ、Xeランプ、各種のケイ光
管、タングステンランプ、レーザー光、エレクトロルミ
ネセンス等が用いられる。
N2, CO2, H2O. Since there is almost no interference from coexisting gas molecules such as H2, Ar, and hydrocarbons, the 02 meter according to the present invention is a highly sensitive 02 meter with extremely excellent selectivity.
It can be said that it is a meter. As the excitation source of the present invention, a low-pressure or high-pressure mercury lamp, a Xe lamp, various fluorescent tubes, a tungsten lamp, a laser beam, electroluminescence, etc. are used.

又ケイ光の検出素子としては光電子増倍管、フオトダイ
オード、フオトトランジスタ、フオトセル等の光電変換
素子が用いられる。ケイ光の検出方式により装置を透過
型と反射型に大別することができるが、本発明の理解を
深めるために第1図に透過型02計の装置側断面図と系
統図を示す。1は低圧水銀灯で2のフイルタ一によりケ
イ光物質の励起波長以外の光はカツトされる。
As the fluorescence detection element, a photoelectric conversion element such as a photomultiplier, a photodiode, a phototransistor, or a photocell is used. Devices can be roughly classified into transmission type and reflection type depending on the fluorescence detection method, but in order to deepen the understanding of the present invention, FIG. 1 shows a side sectional view and a system diagram of the transmission type 02 meter. Reference numeral 1 is a low-pressure mercury lamp, and light other than the excitation wavelength of the fluorescent substance is cut out by a filter 2.

4はガラス板9を基体とするセンサーフイルムでありガ
ス入口8よりガス室に入つてくるガス中の02濃度に対
応してそのケイ光強度が変化する。
Reference numeral 4 denotes a sensor film having a glass plate 9 as its base, and its fluorescence intensity changes in accordance with the 02 concentration in the gas entering the gas chamber from the gas inlet 8.

フイルタ一3によつてケイ光成分だけをとりだし5の光
電変換素子(シリコンフオトセル)に入り増幅器6を通
し記録計7にケイ光強度の変化が記録される。本発明の
方式においては02の存在しない時(例えばN2下)の
ケイ光強度1。とある02濃度の下でのケイ光強度の比
1。/Iによつて02濃度を検出することになるのでセ
ンサー及び検出素子を2組並列に配置し一方のセンサー
にN3ガスを流し(又は真空にして)IO、Iを同時に
測定し処理回路によりI。/Iを同時に表示又は記録す
ることも可能である。第2図に一例としてコロネン/R
TVシリコーンゴムフイルム(200μガラス基体上)
をセンサーとして第1図の装置に組込んだ場合のN2ガ
ス中の02濃度に対する感度特性を示す。
Only the fluorescent light component is taken out by a filter 3 and inputted to a photoelectric conversion element (silicon photocell) 5, passed through an amplifier 6, and a recorder 7 records changes in fluorescent light intensity. In the method of the present invention, the fluorescence intensity is 1 when 02 is not present (for example, under N2). The ratio of fluorescence intensity under a certain 02 concentration is 1. Since the 02 concentration will be detected by /I, two sets of sensors and detection elements are arranged in parallel, one sensor is supplied with N3 gas (or is evacuated), IO and I are measured simultaneously, and the processing circuit is used to detect 02 concentration. . It is also possible to display or record /I at the same time. Figure 2 shows an example of coronene/R.
TV silicone rubber film (on 200μ glass substrate)
The sensitivity characteristics with respect to the 02 concentration in N2 gas when the sensor is incorporated into the apparatus shown in FIG. 1 as a sensor are shown.

0.1%前後及びそれ以上の02濃度の検出にすぐれて
いることがわかる。
It can be seen that the detection of 02 concentrations around 0.1% and above is excellent.

90%応答速度は0.1secであつた。The 90% response speed was 0.1 sec.

以上述べてきた様に本発明によつて得られる02濃度及
びNOx濃度検出装置は妨害成分が極めて少なく、高感
度で応答速度が速く安定して作動するだけでなく、防爆
性にすぐれ、装置としても安価で小型かつ軽量であるた
め使用者によつて容易に持ち運びできる。
As described above, the 02 concentration and NOx concentration detection device obtained by the present invention has extremely few interfering components, has high sensitivity, fast response speed, and operates stably. It is also inexpensive, small, and lightweight, so it can be easily carried by the user.

又液体中の溶存02の測定も可能であることから、医学
、食品工業、フアインケミカル、化学工業、海洋開発、
宇宙開発、環境分野等様々の分野において本検出装置の
用途が考えられる。
Also, since it is possible to measure dissolved O2 in liquids, it is useful in medicine, food industry, fine chemicals, chemical industry, marine development,
This detection device can be used in various fields such as space development and the environment.

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

第1図は本発明による透過型の装置の側断面図と系統図
である。
FIG. 1 is a side sectional view and a system diagram of a transmission type device according to the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 ポリマーマトリックス中にケイ光物質を分散させた
フィルム状物からなるセンサー部、前記ケイ光物質を励
起するための励起源、およびケイ光の強度変化を検出記
録する計測部によつて構成される常磁性ガス分子の濃度
検出装置において、前記ポリマーマトリックスとしてシ
リコーン系ゴムから成るマトリックスを用いることを特
徴とする常磁性ガスの濃度検出装置。
1 Consists of a sensor section made of a film-like material in which a fluorescent material is dispersed in a polymer matrix, an excitation source for exciting the fluorescent material, and a measuring section that detects and records changes in the intensity of the fluorescent light. 1. A paramagnetic gas concentration detection device, characterized in that the polymer matrix is a matrix made of silicone rubber.
JP15552476A 1976-12-23 1976-12-23 Paramagnetic gas concentration detection device Expired JPS5924379B2 (en)

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