JPS63282635A - 気体又は液体用濃度センサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔本発明の目的〕 本発明の目的は、高感度で小型の光学的液体濃度センサ
素子を提供することにある。

〔従来技術〕

化学反応を利用した濃度センサーとしては、半導体を用
いた電気的方法や光ファイバー等を用いた光学的方法が
あり、本発明は光学的方法を用いた技術に属する。

この光学的手段を用いた先行技術としては、たとえば特
公昭５８−１９０６２号公報・や特公昭５８−４８８５
０号公報がある。

前者はプリミティブな方法で余りにも感度が低いが、後
者は光ファイバーを利用してやや感度を上げた技術とい
える。

特公昭５８−４８８５０号公報の技術は、光伝導媒体の
周囲に気体と接触すると光透過能力が変化する物質を塗
布することにより伝導光の光量変化を＋１１１１定する
方法である。この方法によれば気体と接触すると可視光
波長領域で光吸収係数が変化するような物質を選んで塗
布してやれば赤外より短波長のところでも使用でき、ま
た、光反射の際、光吸収がおこるので導波管内の光反射
が多いほど検出感度が上る。しかしながら光伝導媒体と
して細長い導波管を用いており、光の反射回数を増すに
は導波管の長さを長くすることになり、仮に長い導波管
をラセン状に巻いたとしても検知器の寸法は大きくなら
ざるをえない。

本出願人はこの点を改良するため、光ファイバーのかわ
りに板状光伝導媒体を使用することを提案し特許出願し
ている。

〔本発明の特色〕

本出願人が先に提案した発明の一つは、（ａ）平面又は
ゆるやかな曲面を有する板状体の光伝導媒体と、（ｂ）
該板状体の少くとも１つの面に設けられた特定物質と選
択的に反応して複素屈折率に変化を生じることのできる
検知用物質を含有する検知層と、（ｃ）検知層以外の表
面の１部に設けられた入射光部および受光部と、（ｄ）
他の表面の少くとも１部に設けられた光反射層とからな
る気体又は液体用濃度センサ素子に係るものであるが、
本発明は前記濃度センサ素子において、入射光部と受光
部の一方あるいは両方を光の１部は透過し他の１部は反
射する特性をもつ半反射層としたことを特徴とする面記
濃度センサ素子に関するものである。

このような構造を採ることにより、入射光部より入射し
た光は図面に示すように反射層で何度となく反射をくり
かえした後受光部から出てゆくことになり、結果として
光伝導路を非常に長くすることができるため、小さな板
状体にもかかわらず光伝導媒体として非常に長い光ファ
イバーを使用した場合と同様の効果を奏するものである
。

とくに本発明は本出願人の先行発明に較べて入射光部お
よび／または受光部を半反射層としたことにより入射光
の光反射はほぼ無限大となるため、反射回数が有限の先
行発明よりその検知感度が向上することは明らかである
。

これを具体的に以下に説明する。

入射光部より入射した光は広い平面間で反射をくりかえ
し、検知層との境界で反応する被４１ｇ定物質の濃度に
応じて強度を弱りながら広幅し、やがて他の側面に到達
する。本出願人の先願にかかる板状体光伝導体を使用す
る技術の場合（第１図参照）そこの側面で受光している
が、本発明ではたとえばここに一部反射一部透過する特
性をもつ半反射層を設けておりこの層に到達した光は一
部が反射され再び光伝導媒体中を伝導し、先と同様強度
を弱めつつまた別の側面へ到達する一方、一部透過した
光は受光部より受光素子へ送られる。光はあたかもＦａ
ｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ共撮器のごとくふるまう。この一部
反射一部透過する特性をもつ半反射層がなく、被測定物
質もない場合の出力を１、ある被測定物質が存在する場
合であって、半反射層がない場合の出力をＳとする。

例えば、入射光部と受光部に反射率ｒ、透過率もの一部
反射一部透過する特性をもつ半反射層を設けたときの反
射回数を無限大としたとき、その出力Ｗは ｓ ｗ＝□ １　　ｓ　Ｚ　ｒＺ となる。この場合、 ｒ＋ｔ≦１ Ｓ≦１ であるから Ｗ＜ｓ となる、即ち、感度が向上することを意味する。

〔光伝導媒体〕 また、光伝導媒体としては、ガラス、石英等の無機物や
、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリメチル
ペンラン等の有機重合体等、従来公知の光学用素材が使
用できる。

又、板状体の形状は必ずしも直方体である必要はなく、
前述の本発明の趣旨を逸脱しないかぎり種々の変形が可
能である。

板状体への入射光部と受光部の取付は、第３図に示すよ
うに板状体の側面に取付けることができるが、たとえば
第３図に示すように平面上にプリズムを介して入射光部
と受光部を形成することができる。

又、検知層材料の屈折率は１．４〜１．６程度であり、
これよりも屈折率の高い光伝導媒体を選び出すことは容
易である（例えば、ＢＫ−７、サファイヤ）。

光反射層は、Ａ　Ｑ　、Ａｕ　ｌ　Ａｇなどの無機物を
真空蒸着あるいは銀鏡反応させて形成することができる
。さらに具体的には入射光部、受光部など光反射層を形
成したくない部分はマスクしておき、金属蒸着するのが
好ましい。

〔半反射層〕

入射光部、受光部の一方あるいは両方に設けられた一部
光反射一部光透過の特性をもつ半反射層について、以下
に説明する。

まず入射光部に設ける場合について説明するとこの層は
光伝導媒体中を伝幡してきた光が、この光伝導媒体の側
面もしくは広面の入射光部より外へ出るのを防ぎ反射に
よって再び光伝導媒体中を伝幡するように、かつ、光伝
導媒体の外に設けられた発光素子からの光を光伝導媒体
中へ入射させることを目的とする。前者の条件より反射
率は高い方が望しく、後者の条件より透過率は高い方が
望ましい。この２つの条件は互いに相反するものであり
、両立しえないものであるので、その反射率と、透過率
は適切なバランスをもって設定する。具体的には反射率
として、１０〜９９％とくに３０〜９０％が好ましい。

受光部に一部光反射、一部光透過の特性をもつ半反射層
を設ける場合について説明すると、この層は光伝導媒体
中を伝幡してきた光が、光伝導媒体の側面もしくは広面
の受光部において一部を透過させて受光素子へ到達させ
、一部を反射させて再び光伝導媒体中を伝幡させること
を目的とする。このため反射率として１０〜９９％とく
に７０〜９０％が好ましい。

いずれにしても半反射層は光反射層と同様の方法で、例
えばアルミニウム蒸着の程度をコントロールすることに
より容易に形成できる。

また、入射光部、受光部の位置は光伝導媒体のいずれの
個所でもよく、光伝導媒体中の検知装置への利用形態に
あオ〕せて決定することができる。

〔板状光伝導体と入射光部、受光部との関係〕板状光伝
導体への入射光部と受光部の取付は、図面に示すように
板状体の側面に取付けることができるが、たとえば図面
に示すように平面上にプリズムを介して入射光部と受光
部を形成することができる。

反応層には、特定物質と選択的に反応する酵素を含有さ
せておき、酵素の高選択性を利用するのが有利である。

反応層は光伝導媒体である板状体の平面の少くとも一方
の面に形成すればよい。

反応層での均一拡散性を向上するため紙やナイロンネッ
トのような繊維状物質に前記晶分子溶液を含浸させて形
成することもできる。

検知層としては、被甜定用気体と接触したとき、あるい
は反応層で酵素により特定物質が分解されて発生する特
定ガスと接触したとき、それと選択的に反応して光伝導
媒体の光透過能力を測定可能なほどに変化させる物質す
なわち検知物質を含有する層である。

検出層及び反応層の形成に用いられている水溶性ポリマ
ーとして、でんぷん、セルロース、コラーゲン等の天然
高分子、またはＰ　Ｖ　Ａ、ポリアクリルアミド、ポリ
エチレングリコール、ポリエチレンオキサイドなどの合
成高分子が適当である。

反応層と検知層との間には水溶液から検知層を保護する
ため水溶液不透過性、気体透過性膜を介在させることが
できる。該膜の材料としてはパーフルオロアルキル基、
またはパーフルオロアルキレン基を有する重合体、たと
えばポリテトラフルオロエチレン（テフロン）などをあ
げることができる。そして、該層を検知層よりも低屈折
率（たとえばｎ＝１．３５）にすることにより検知層か
らの光のもれをおさえることができる。なお、このよう
な低屈折率でなくても光の反応層へのもれを無視するこ
とが可能な材料を選択することもできる。

〔気体中の特定物質がアンモニアである場合について〕
アンモニアに対する検知物質としては特公昭５８−４８
８５０号公報に開示されているいずれの物質も使用でき
るが、とくに、下記の（１）〜（ｉｉｉ）のものが好ま
しい。

（ｉ）　　検知物質としてのｐｌ＋指示薬の利用この場
合は、指示薬と適切な緩衝液とを組合せて使用するのが
好ましい。例えば、特定のｐｌ＋を維持できる緩衝液と
そのｐＨで呈色反応を示す指示薬とを高分子水溶液の形
で光伝導媒体である板状体上にスピンコードする。

緩衝液と指示薬等の組合せ例を第１表に示す。

第１表 使用する光は任意であるが５００〜７００μｍの範囲で
吸光度が変化する指示薬を使用すると検知層の複屈折率
が５００〜７００μｍの波長に対して変化する。そして
、この程度の波長の光だと光源としてＬＥＤのような安
価で小型の光源ですますことができる。

好ましい組合せ例 フェノール　＋　クロラミンＴ α−ナフトール　十　次亜塩素酸ナトリウムチ　モ　−
　ル　＋　クロラミンＴ 子　モ　−　ル　十　次亜塩素酸ナトリウｔ１が使用で
き、これらはアンモニアの存在で青色に着色する。

（ｉｉｉ）　　検知物質としての多価アルコールの利用
多価アルコールを検知物質として利用し、多価アルコー
ルを含有する検知層に吸着あるいは溶解したアンモニア
又はアンモニウムイオンを赤外吸収スペクトルで測定す
る。

〔液体中の尿素を検出する場合〕

反応層中の酵素としてウレアーゼを用いろ。

これにより尿素は二酸化炭素とアンモニアに分解し、こ
のアンモニアが検知層へ拡散し、検知層の複屈折率を変
化させる現象を利用する。

アンモニアに対する検知物質としては前述の〔気体中の
特定物質がアンモニアである場合について〕と同一であ
る。

〔液体中のグルコースを検知する場合〕反応層中の酵素
としては、たとえばグルコースオキシダーゼを用いると
過酸化水素ガスを発生させることができる。検出層とし
て過酸化水素ガスの還元触媒を検出層内又は層の界面に
設け、検出層を水溶性ポリマーで形成する。過酸化水素
ガスが還元され、水と酸素が発生しこの水分によって水
溶性ポリマーの複素屈折率が変化し、光の伝達強度が変
化する。

〔検知層の保護〕

いずれの例でも検出層に液体がくることにより検出層が
破壊されるような場合には水溶性液体不透過性を有する
気体選択透過性膜を検出層と反応層との間に設けてもよ
い。当該気体選択透過性膜としてはパーフルオロアルキ
ル基又はパーフルオロアルキレン基を有するポリマー（
例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリへキサフルオ
ロプロピレン等）を用いる。

（以下余白） 被測定物質と酵素の組合せ例 尿　　　　　　　　酸　１　　ウリカーゼム−アスパラ
ギン　１　　アスパラギナーゼ〔本発明の効果〕 本発明は、光伝導媒体の占める容積を大きくすることな
く、光伝導媒体中の光伝導光路を長くすることができた
ため、小型でかつ高感度の検知装置を提供できるように
なった。

又、本発明では入射光部と受光部を同一側面に設けるこ
とができるため、従来技術では実施がむずかしかったプ
ローブ型やカテーテル型の検知器を容易に提供できるよ
うになった。

このセンサは、食品等の分析、品質モニターあるいは臨
床検査用センサーとして有用であり、低価格であるため
使い捨て型としても使用可能である。

〔実施例〕 【図面の簡単な説明】

第１図は本出願人がすでに提案した板状光伝導媒体の１
実施態様図。 第２図は、入射光部と受光部を半反射層とした本発明の
１濃度センサ素子の断面図。 第３図は第２図の上面図と、濃度センサ索子に光源と測
定装置を付加した図面である。 第４図は、本発明の濃度センサ素子の取付応用図である
。 ｌ・・・光伝導媒体　　２・検　知　層３・・反　応　
層　　４・・反　射　層５　光結合部　６・・一部反射
一部透過層（半反射Ｐ！Ｊ）７・−・入射光部　８・・
受光部 ９・・・プリズム　　　１０・・・光　源１１・・測定
装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）平面又はゆるやかな曲面を有する板状体の光
   伝導媒体と、 （ｂ）該板状体の少くとも１つの面に設けられた特定物
   質と選択的に反応して複素屈折率に変化を生じることの
   できる検知用物質を含有する検知層と、 （ｃ）検知層以外の表面の１部に設けられた入射光部お
   よび受光部と、 （ｄ）他の表面の少くとも１部に設けられた光反射層と
   からなる気体又は液体用濃度センサ素子において、 入射光部と受光部の一方あるいは両方を光の１部は透過
   し他の１部は反射する特性をもつ半反射層としたことを
   特徴とする前記濃度センサ素子。 ２、検知層と外側に被測定液体中の特定物質と選択的に
   反応する反応層を設け、検知層中の検知物質は反応層に
   おける反応生成物とさらに反応し、複素屈折率に変化を
   生じさせる物質を使用することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の液体用濃度センサ素子。