JP4487378B2 - Ultraviolet measuring chip and ultraviolet sensor using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、紫外線量を測定するために、全光線を受光する第1反応室と紫外線をカットした光を受光する第2反応室が設けられた紫外線測定用チップ、及びこの紫外線測定用チップを装着して電気化学的に紫外線量を算出する紫外線センサーに関する。
【0002】
【従来の技術】
400〜770nmの範囲の光はいわゆる可視光線と呼ばれ、人間の目で見える光線である。このうちもっとも波長の短い400nm付近の光は紫の光であり、この紫に近接するさらに波長の短い光を紫外線と称している。この紫外線にも3種類存在する。1つめはUV−A波であり、波長が320〜400nmで、表皮を透過して一部直接真皮まで襲う性質を有している。しわや、たるみの原因になるものである。2つめは波長が290〜320nmであって、UV−B波と呼ばれ、表皮でさえぎられて、皮膚癌やしみ、ソバカスの原因になり、人間の皮膚にもっとも強い影響を与えるものである。3つめは290nm以下の波長を有すものでUV−C波と呼ばれ、オゾン層でほとんど吸収されるが、遺伝子に影響を与え、皮膚癌を引き起こすものである。可視光線のなかでもっとも波長の長い光は760nm付近に存在する赤の光であって、この760nmを超えると赤を超えた光ということで赤外線と呼ばれる。このうち760nm近傍の波長の短い赤外線は近赤外線と呼ばれ、波長の長い50〜1000μmの赤外線は遠赤外線と呼ばれている。これは暖房などに利用され、人間にもっとも吸収され易いエネルギー波である。
【0003】
以上説明した光の中でもっとも有害な光は紫外線である。紫外線は上述した通り皮膚に影響を及ぼすが、これには皮膚組織に病変を与えるような重大な影響はもちろん、日常発生するような軽い影響もある。すなわち、肌にあるメラノサイト(色素形成細胞)に紫外線を浴びさせるとメラニン色素を作り出し、肌が黒くなったり、シミ,ソバカスをつくってしまう。これに対し、病変を与えるような重大な影響の筆頭は、紫外線が皮膚細胞の核内にある遺伝子を傷つけ発癌させることである。通常は一部の遺伝子が傷ついても、これを治す酵素が働き修復されるが、大量の被曝で強い日焼けや傷が形成されると、酵素による修復が十分に行われなくなり、細胞が突然変異を起こし、癌を発症する可能性がきわめて高くなる。
【0004】
ところで、近年、安定で優れた冷媒ということでずっと多用されてきたフロンガスが、十分な検討をされることなく大気内に放出されてきたため、地球の大気をつつむオゾン層が破壊されるという事態が発生している。オゾン層は地球に降り注ぐ紫外線を遮断し生物を守る重要な役割を果たしているが、このオゾン層が破壊されたため地表に届く紫外線の量が増加し、皮膚癌が多発し、生物に大きな影響が出るようになってきている。日本国内での皮膚癌の発症率は、1960年,1970年代には約10万人に1人の割合であったが、現在は約10万人当り5人程度に増えている。ただ、この割合は、豪州の10万人当り800人、米国の10万人当り250人といった割合に比べると格段に少ないが、確実に増えてきているといえる。そして、オゾンが1%減少すると紫外線は2%増加し、皮膚癌患者は3〜5%程度増えるという報告もある(市橋正光、“医療ルネッサンス”、読売新聞、[online]、(平成12年3月3日検索)、<URL:http//www3.yomiuri.co.jp/medical/life/96112901.htm>)。
【0005】
ところで、全国の24大学病院を対象に、1970年代と1980年代の皮膚科外来患者のうち、皮膚癌患者の占める割合が調査された。この2つの年代を比較すると、1980年代の皮膚癌患者の方が、表皮の最下層に並ぶ基底細胞癌で17%増加し、皮膚の前癌症状で、肌に赤や黒のまだらやただれができる日光角化症が84%増加したという報告がなされている。従って、子供等が日中に屋外で思いっきり遊ぶことは成長のための重要なファクターであるが、スポーツやレクリエーション等で長時間遊んで日光を多量に浴びる場合逆効果で、長そでシャツを着たり、日焼け止めのクリームを塗る等の紫外線対策が必要なことが分かる。とくに、ごく少量の紫外線でも極度の日焼けを起こす色素性乾皮症患者は、紫外線障害を受けた遺伝子を修復する酵素システムに遺伝的欠陥があるため、通常人の1000倍から2000倍も発癌するおそれがあり、紫外線対策はとくに念入りに行われなければならない。
【0006】
この紫外線対策がいかに重要かということを示す実験が神戸大学の市橋正光教授によって行われている。実験というのは、色素性乾皮症に罹った4歳と2歳の姉妹の患者に、日焼け止めクリームを塗ること、帽子を被ることなどの紫外線対策を徹底的に指導し、その後の紫外線の影響を遮断することで、それまで無防備に過ごした2人の2年の差がどれだけ発癌に影響するかということを追跡したものである。結果として2人はいずれも発癌したが、姉は13歳で発癌し、妹は23歳で発癌するに至った。すなわち、姉は幼児時代に紫外線を無防備に2年間多く浴びたために、10年も早く発癌したことになる。紫外線からの保護がいかに重要かがを示す事実である。しかも、紫外線は皮膚の免疫機構にも悪影響を与える。動物実験では、紫外線照射で全身の免疫力が低下し、感染症に罹りやすくなることが実証されている。
【0007】
免疫力が低下すると、癌細胞が発生してもこれを排除することができない。米国のある研究では、皮膚がうっすらと赤くなる程度の紫外線量を基準にして、これの4倍程度の紫外線を浴びた場合、普通の人で40%、皮膚癌患者は95%の人が免疫力が正常にはたらかなかったと報告されている。
【0008】
ところで、欧米では一般に日焼けは危険であるとの意識が浸透しているが、日本の皮膚癌患者は高齢者が大半であって、発病するまでに若年の人間より時間がかかることが多く、一般に日本では紫外線に対する認識が甘いといわれている。しかし、オゾン層が破壊され始めている現代、自分たちには無関係なことと悠長に構えている訳にはいかない。
【0009】
このオゾン層は、地球に降り注ぐ強い紫外線の作用で成層圏の酸素(O2)がオゾン(O3)に変化させられ、濃度を高めた大気の層である。このような反応が起こることで太陽の光に含まれている有害なUV−C等の紫外線をカットし、地表の生物の生命を守っている。しかし、既に述べたように、この二、三十年間、冷媒や、半導体等の洗浄液としてフロンガスが多用され、しかも、それが環境への影響を十分検討することなく大気中に放出され続けてきたため、フロンガス中の塩素が成層圏において紫外線を受けて遊離し、これがオゾン層のオゾンと反応して、さらに酸素とCLOに分解するようになったからだといわれている。このようにしてオゾンの濃度が低下すると、オゾン層にはもう有害な紫外線を遮断する力がなく、紫外線はそのまま日常的に地表にまで到達し、生物は知らず知らずのうちに多量の紫外線を浴び、生命維持に大きな影響がでることになった。
【0010】
従って、日常生活の中でどれくらい紫外線を浴びているのか、その受光量を実測する必要性が今ほど高まったことはかってない。こうした事態を受けて、環境庁と気象庁も1993年から東京で紫外線のモニタリングを開始している。しかし、従来紫外線測定のための測定装置は数少ないものであった。
【0011】
そこで、従来の紫外線測定装置にどのような装置があったかについて説明する。その代表的なものにブリューワ分光光度計がある。このブリューワ分光光度計は、UV−B紫外線を0.5nm刻みの波長で高精度に分光観測できる特性をもつものである。しかし、ブリューワ分光光度計は少し安定性に欠け、厳密な保守管理を行わなければならないものである。また、このほかの紫外線測定装置として、太陽光にさらしたとき色が徐々に白から青に変化していくUVセンサーがある。色の変化を見て紫外線量を判断するものである。この他、電気科学的に紫外線を測定する紫外線強度センサーもある(特開平9−304177号公報)。この紫外線強度センサーは、光照射部にその一端が設置される石英ファイバーをもち、この石英ファイバーによって導かれた光から紫外線成分だけを取り出すUVバンドパスフィルターと、この紫外線成分の強度を測定する光強度センサーが設けられた側光部を備えており、この側光部からの紫外線強度信号に基づいて紫外線強度を表示する表示部を備えた強度計本体から構成されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のブリューワ分光光度計は、高精度ではあるが、やや安定性に欠けるため厳密な保守管理が要求され、点検や較正をきわめて頻繁に行わなければならないものであった。その上、コストが高く、持ち運びできないものであり、専門家でなければ使いこなせず、一般人が日常浴びる照射量を測るのに適した測定装置とはいえないものであった。
【0013】
次に、UVセンサーは、単純な色変化を見て判断するため精度が悪く、とくに個人的な感覚に依存するため測定結果の評価に個人差が大きいという問題があった。
【0014】
さらに、従来の紫外線強度センサーでは、その時点、時点の強度しか計れず、一日通して浴びた累積した紫外線量を測ることはできないものであった。同時に、このセンサーは構造も複雑で、持ち運びするのが困難なものであった。
【0015】
そこで、このような問題点を解決するために本発明は、小量の試薬で測定でき、簡単な構造で、扱い易く、受光時間の長さによらず、安価で精度の高い紫外線量を測定できる紫外線測定用チップを提供することを目的とする。
【0016】
また、本発明は、小量の試薬で測定でき、コンパクトかつ簡単に操作でき、持ち運びが容易で、受光時間の長さによらず、安価で精度の高い紫外線量を測定する紫外線センサーを提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の紫外線測定用チップは、全光線受光量検出部と紫外線カット受光量検出部とを備えた紫外線測定用チップであって、前記全光線受光量検出部には、キノン,有機溶媒,電解質含有の共存電解液を収容し、全光線透過板が設けられた第1光透過窓を有する第1反応室が形成されるとともに、前記紫外線カット受光量検出部には、キノン,有機溶媒,電解質含有の共存電解液を収容し、紫外線カット透過板が設けられた第2光透過窓を有する第2反応室が形成され、前記第1反応室と第2反応室には、双方の反応室に延びて、それぞれの共存電解液に浸漬される対極と比較電極が配設され、且つ前記第1反応室には共存電解液に浸漬される第1作用電極が配設されるとともに、前記第2反応室には共存電解液に浸漬される第2作用電極が配設され、前記第1作用電極,前記第2作用電極,前記対極,前記比較電極とそれぞれ電気的に接続された複数の端子を備えていることを特徴とする。
【0018】
これにより、小量の試薬で測定でき、簡単な構造で、扱い易く、受光時間の長さによらず、安価で精度の高い紫外線量を測定できる。
【0019】
また、本発明の紫外線センサーは、前記紫外線測定用チップを挿入し、前記端子のそれぞれと電気的に接続できるコネクタ端子が設けられた測定用チップ挿入部を備え、前記紫外線測定用チップを挿入したとき前記第1作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第1電源と、前記第2作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第2電源とを有し、前記第1作用電極と前記比較電極間の電位を掃引するとともに、前記第2作用電極と前記比較電極間の電位を掃引する制御部と、前記第1作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第1検出部と、前記第2作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第2検出部とを有し、前記第1検出部と前記第2検出部で検知された電流値の差から紫外線量を算出する演算部を備えたことを特徴とする。
【0020】
これにより、小量の試薬で測定でき、コンパクトかつ簡単に操作でき、持ち運びが容易で、受光時間の長さによらず、安価で精度の高い紫外線量を測定することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載された発明は、全光線受光量検出部と紫外線カット受光量検出部とを備えた紫外線測定用チップであって、前記全光線受光量検出部には、キノン,有機溶媒,電解質含有の共存電解液を収容し、全光線透過板が設けられた第1光透過窓を有する第1反応室が形成されるとともに、前記紫外線カット受光量検出部には、キノン,有機溶媒,電解質含有の共存電解液を収容し、紫外線カット透過板が設けられた第2光透過窓を有する第2反応室が形成され、前記第1反応室と第2反応室には、双方の反応室に延びて、それぞれの共存電解液に浸漬される対極と比較電極が配設され、且つ前記第1反応室には共存電解液に浸漬される第1作用電極が配設されるとともに、前記第2反応室には共存電解液に浸漬される第2作用電極が配設され、前記第1作用電極,前記第2作用電極,前記対極,前記比較電極とそれぞれ電気的に接続された複数の端子を備えていることを特徴とする紫外線測定用チップであるから、小量の試薬で測定でき、構造が非常に簡単化でき、簡単に操作でき、持ち運びが容易で、受光時間の長さによらず、安価で、精度の高い紫外線量を測定することができる。
【0022】
請求項2に記載された発明は、前記全光線透過板が石英ガラスを含んでいることを特徴とする請求項1記載の紫外線測定用チップであるから、他の周波数の光を遮断することなく、紫外線を99%以上透過させ、安価である。
【0023】
請求項3に記載された発明は、前記紫外線カット透過板が紫外線カットフィルターを備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の紫外線測定用チップであるから、他の周波数の光を遮断することなく、紫外線のみをカットできる。
【0024】
請求項4に記載された発明は、前記第1作用電極と第2作用電極がそれぞれ炭素,ガラス状炭素,金の中から選ばれた1以上の材料から構成されていることを特徴とすれ請求項1〜3のいずれかに記載の紫外線測定用チップであるから、電流値を安定して測定できる。
【0025】
請求項5に記載された発明は、前記対極が耐食性導電体から構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の紫外線測定用チップであるから、劣化もなく、安定して測定できる。
【0026】
請求項6に記載された発明は、前記耐食性導電体が白金,ステンレス,白金含有合金,炭素の中から選ばれた1以上の材料から構成されていることを特徴とする請求項5記載の紫外線測定用チップであるから、劣化がほとんんどなく、安定した測定ができる。
【0027】
請求項7に記載された発明は、前記比較電極が金または炭素から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の紫外線測定用チップであるから、比較電極が単純で安価になる。
【0028】
請求項8に記載された発明は、請求項1〜7のいずれかに記載の紫外線測定用チップを挿入し、前記端子のそれぞれと電気的に接続できるコネクタ端子が設けられた測定用チップ挿入部を備え、前記紫外線測定用チップを挿入したとき前記第1作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第1電源と、前記第2作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第2電源とを有し、前記第1作用電極と前記比較電極間の電位を掃引するとともに、前記第2作用電極と前記比較電極間の電位を掃引する制御部と、前記第1作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第1検出部と、前記第2作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第2検出部とを有し、前記第1検出部と前記第2検出部で検知された電流値の差から紫外線量を算出する演算部を備えたことを特徴とする紫外線センサーであるから、小量の試薬で測定でき、コンパクトかつ簡単に操作でき、持ち運びが容易で、受光時間の長さによらず、安価で精度の高い紫外線量を測定することができる。
【0029】
請求項9に記載された発明は、請求項1〜7のいずれかに記載の紫外線測定用チップを挿入し、前記端子のそれぞれと電気的に接続できるコネクタ端子が設けられた測定用チップ挿入部を備え、前記紫外線測定用チップを挿入したとき前記第1作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第1電源と、前記第2作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第2電源とを有し、前記第1作用電極と前記比較電極間を前記比較電極を基準にして所定の電位に制御するとともに、前記第2作用電極と前記比較電極間を前記比較電極を基準にして所定の電位に制御する制御部と、前記第1作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第1検出部と、前記第2作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第2検出部とを有し、前記第1検出部と前記第2検出部で検知された電流値の差から紫外線量を算出する演算部を備えたことを特徴とする紫外線センサーであるから、小量の試薬で測定でき、コンパクトかつ簡単に操作でき、制御部がより簡単であり、持ち運びが容易で、受光時間の長さによらず、精度の高い紫外線量を測定することができる。
【0030】
請求項10に記載された発明は、前記第2電源が前記第1電源であることを特徴とする請求項8または9記載の紫外線センサーであるから、電源回路がコンパクトになる。
【0031】
請求項11に記載された発明は、前記制御部が10mV/s〜200mV/sの掃引速度で掃引することを特徴とする請求項8記載の紫外線センサーであるから、電流のプレピーク値を精度良く測定できる。
【0032】
以下、本発明の実施の形態について図1〜図6を用いて説明する。
【0033】
(実施の形態1)
まず、本発明の一実施の形態である紫外線センサーと紫外線測定用チップについて、図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態1における紫外線センサーの概略外観図である。図1において、1は本体、2は測定値を紫外線量に換算して表示する表示部、3は測定を開始するためのスタート・ストップボタン、4は記憶データを呼び出したり各種モードを切り替えるモード切り替えボタン、5は電源を入切する電源ボタン、6は後述する紫外線測定用チップ(以下、測定チップ)Cによって紫外線を受光した後、この測定チップCを挿入して電気的接続を行い紫外線量を測定する測定チップ挿入部である。測定チップ挿入部6の内部には、測定チップCの端子と接続が可能なコネクタ端子(図示しない)が設けられている。
【0034】
図2は本発明の実施の形態1における紫外線センサーの紫外線測定用チップの説明図である。7は第1作用電極用パターン、7′は第2作用電極用パターン、8は対極用パターン、9は比較電極用パターン、10は第1作用電極、10′は第2作用電極、11は対極、12は比較電極である。7t1は第1作用電極用の端子、7t2は第2作用電極用の端子、8tは対極用の端子、9tは比較電極用の端子である。15は基板である。
【0035】
第1作用電極用パターン7は、樹脂バインダーを含有させた通電性カーボンペーストを基板15にスクリーン印刷で薄く帯状に印刷して薄膜化したものである。第1作用電極用パターン7は第1作用電極10に接続される。第1作用電極10は、グラッシーカーボンと呼ばれるガラス状炭素電極,PFCと呼ばれるプラスチックフォームを1000℃〜2000℃で焼結した炭素材料、あるいは金を蒸着またはスパッタリングなどして形成した薄膜で構成される。第2作用電極10′もまったく同様に構成するのが適当である。しかし、このように第1作用電極10と第1作用電極用パターン7を別材料で構成するのでなく、第1作用電極用パターン7といっしょに通電性カーボンペーストでスクリーン印刷して薄膜として一体成形するのが、工程を減らし、コストを低減できて望ましい。第2作用電極10′に関しても第1作用電極10と同様に一体成形するのが適当である。
【0036】
次に、対極用パターン8は、樹脂バインダーを含有させた通電性カーボンペーストを基板15にスクリーン印刷で薄く帯状に印刷して薄膜化したものである。対極用パターン8は対極11に接続される。対極11は白金,黒鉛,金,ステンレス,アルミニウムその他の耐食性導電体からなる導電性材料から構成される。第1作用電極10と第1作用電極用パターン7との関係と同様に、対極11も対極用パターン8と別材料で構成するのでなく、対極用パターン8といっしょに通電性カーボンペーストで一体形成するのが、工程が減り、コストも低減されるので適当である。
【0037】
さらに、比較電極用パターン9は、樹脂バインダーを含有させた通電性カーボンペーストを基板15にスクリーン印刷で薄く帯状に印刷して薄膜化したものである。比較電極用パターン9は比較電極12に接続される。この比較電極12はグラッシーカーボンと呼ばれるガラス状炭素電極,PFCと呼ばれるプラスチックフォームを1000℃〜2000℃で焼結した炭素材料,あるいは金を蒸着またはスパッタリングなどして形成した薄膜で構成される。
【0038】
なお、第1作用電極用の端子7t1、対極用の端子8t、比較電極用の端子9t、第2作用電極用の端子7t2を、白金,金,ステンレスその他の導電性材料でつくって強化しておくのが、コネクタの接触強度を高め、電気的にも抵抗少ない接続が可能になり、望ましい。
【0039】
続いて、図2において、13は第1光透過窓、13′は第2光透過窓、14は第1反応室、14′は第2反応室、16は全光線透過板、16′は紫外線カット透過板である。第1反応室14の表面には全光線を透過する第1光透過窓13が開口され、この第1光透過窓13には全光線透過板16が取り付けられている。同じく、第2反応室14′の表面には紫外線だけをカットした光が透過する第2光透過窓13′が開口され、この第2光透過窓13に紫外線カット透過板16′が取り付けられている。
【0040】
この第1反応室14と第2反応室14′はそれぞれ独立した空間となっており、いずれも同じ共存電解液を収容している。対極11と比較電極12は両反応室内にまたがって配設され、共存電解液内に浸漬されている。もちろん対極11、比較電極12は両反応室内と水密状態で双方に挿入される。この外さらに第1反応室14内には第1作用電極10が、また、第2反応室14′には第2作用電極10′がそれぞれ設けられる。第1作用電極10、第2作用電極10′、対極11、比較電極12は互いに非接触の状態で並べられ、それぞれが第1作用電極用パターン7、第2作用電極用パターン7′、対極用パターン8、比較電極用パターン9によって外部に導き出される。この導き出された第1作用電極用パターン7、第2作用電極用パターン7′、対極用パターン8、比較電極用パターン9の端部は、第1作用電極用の端子7t1、第2作用電極用の端子7t2、対極用の端子8t、比較電極用の端子9tに接続され、測定チップCが測定チップ挿入部6に差し込んで装着されたとき、コネクタ端子と各端子とは電気的に接続される。なお、当然ながら、第1作用電極10、対極11、比較電極12の各電極部分と、第1作用電極用の端子7t、対極用の端子8t、比較電極用の端子9tの各端子部分を除き、第1作用電極用パターン7、対極用パターン8、比較電極用パターン9の表面はすべて絶縁材料で被覆されている。
【0041】
このように第1反応室14内には、第1作用電極10、対極11、比較電極12が非接触の状態で設けられ、対極11、比較電極12は第2反応室14′と共用する必要があるため、両者は第2反応室側から平行に延びるように配設されている。同様に、第2反応室14′内には、第2作用電極10′、対極11、比較電極12が互いに非接触の状態で並べられ、対極11、比較電極12は第1反応室14と共用されるため、第1反応室側から延びるように配設されている。
【0042】
以上の説明から分かるように本実施の形態1においては、対極11、比較電極12が第1反応室14と第2反応室14′とで共用されるから、測定チップCを非常に簡単な構造にすることができ、紫外線センサーも小型化できる。しかも、第1作用電極用パターン7、第2作用電極用パターン7′、対極用パターン8、比較電極用パターン9はいずれもが平行に引き出されており、端部となる第1作用電極用の端子7t1、第2作用電極用の端子7t2、対極用の端子8t、比較電極用の端子9tも略等ピッチで平行に設けられている。これにより、測定用チップ挿入部6内のコネクタ端子と電気的に接続される。
【0043】
ところで、本実施の形態1の第1反応室14と第2反応室14′内には、光の受光量を電気化学的に測定するための共存電解液Aと共存電解液A′がそれぞれ収容されている。この共存電解液Aと共存電解液A′は同一成分であり、いずれもキノンをエタノールやイソプロピルアルコールなどの有機溶媒に溶解したもので、さらに塩化ナトリウムや塩化リチウムなどの電解質を添加している。使用されるキノンの例をあげると、p−ベンゾキノン,3−メチル−p−ベンゾキノン、o−ベンゾキノン、ジフェノキノン、ナフトキノン、アントラキノン、ベンゼンアゾヒドロキノン、さらにこれらキノンの誘導体等がある。キノン類まで含むものである。実施の形態1においては、共存電解液A,A′の組成として、具体的には3−メチル−p−ベンゾキノン20mMと、塩化ナトリウム150mMを、エタノールと水の混合比率8対2の溶媒に溶解して作製したものを利用している。
【0044】
共存電解液Aが収容される第1反応室14には全光線透過板16が取り付けられている。この全光線透過板16は紫外線透過率99%の石英ガラス、ダイヤモンド、塩化ナトリウム単結晶、チタニアなどが適当である。また、共存電解液A′が収容される第2反応室14′には紫外線カット透過板16′が取り付けられている。この紫外線カット透過板16′は紫外線を90%以上遮断し、赤外線等の他の光線は透過させる透明の塩化ビニール樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、メタクリル樹脂等の樹脂か、もしくは通常のガラスの表面に軟質ビニールフィルム、ポリウレタンフィルム、ポリエステルフィルムなどの特殊処理を施した紫外線カットフィルターを施したものである。
【0045】
このように、第1反応室14には、第1光透過窓13が設けられ、さらに全光線透過板16が嵌め込まれており、内部に共存電解液が収容されている。そして、この共存電解液Aには第1作用電極10、対極11、比較電極12が浸漬される。そして、これらで本実施の形態1の測定チップCの全光線受光量検出部Aを構成している。また、第2反応室14′には、第2光透過窓13′が設けられ、さらに紫外線カット透過板16′が嵌め込まれており、内部に共存電解液A′が収容されている。そして、この共存電解液A′には同じように第2作用電極10′、対極11、比較電極12が浸漬される。そして、これらで本実施の形態1の測定チップCの紫外線カット受光量検出部Bを構成している。
【0046】
なお、測定チップCは、紫外線の影響を除いてキノンへの影響を同一にするためと、対極11、比較電極12を第1反応室14と第2反応室14′で配置的に共用するため、全光線受光量検出部Aと紫外線カット受光量検出部Bを接近させ、2つごく近傍に並べて設けてある。全光線受光量検出部Aと紫外線カット受光量検出部Bとを構成する電極材料、電極用パターン材料等を同一にし、且つ共存電解液A,A′は同じ成分で環境も同一条件としている。
【0047】
次いで、本実施の形態1の測定チップCで紫外線量を検出できる理由を以下説明する。図3は、キノン含有の共存電解液への光の照射時間とキノン還元電流のピーク値の関係を示すグラフである。キノンは3−メチル−p−ベンゾキノンで、照射した光は30W/m2の紫外線と全光線に当る日光である。このときの測定条件は、作用電極と比較電極はグラッシーカーボン、対極は白金で構成し、作用電極の面積3.2mm2、共存電解液は3−メチル−p−ベンゾキノン20mM、塩化ナトリウム150mM、エタノールと水の混合比率8:2を混合したものであり、比較電極電位を基準に作用電極が掃引電位となるように作用電極と対極間に電圧を印加し、掃引速度100mV/秒で掃引して3−メチル−p−ベンゾキノンの還元電位においてピークをもつ還元電流を得たものである。なお、後述するように、掃引するのでなく所定の電圧を印加してファラデー電流を測定して還元電流値を得るのでもよい。図3に示すとおり、紫外線を受光した場合も、日光をすべて受光した場合も、受光時間が増加するとキノン還元電流のピーク値は低下していく。従って、予め強度が分かっている紫外線を測定チップに照射して、これによって3−メチル−p−ベンゾキノンを減少させた共存電解液を電気化学的に測定し、受光時間と紫外線の強度を変量にして、検量線を作成しておけば、3−メチル−p−ベンゾキノンの量を測定するだけで測定チップが受光した紫外線の量を測定できることになる。
【0048】
しかし、キノンの劣化に影響を及ぼすのは光ばかりではない。周囲の温度など、光以外の因子もキノンの劣化に大きな影響を与える。そこで、本発明においては、上述したとおり紫外線だけを遮断した共存電解液と、紫外線を遮断せず残りのすべてにおいて同一の条件を与えた共存電解液をシリアルに2つほぼ同時に測定するようにしている。紫外線以外では両者全く同一の条件であるから、キノンの量を2つの共存電解液で測定すれば、紫外線を当てた側の共存電解液において余分に減少したキノンの量が紫外線の受光量に比例していることになる。このように、紫外線を遮断して測定した共存電解液と、すべての光を透過させて測定した共存電解液の差をとって、紫外線の影響によるキノンの減少量を求め、予め測定しておいた紫外線の検量線と比較することで、紫外線の受光量を検出できるものである。なお、以上説明したことから分かるとおり、本発明の紫外線測定方法によれば紫外線の受光量が時間に比例して正確に測定できるため、従来のブリューワ分光光度計ができなかった1日分の紫外線の受光量といった長時間の受光量を正確に測定できる特徴がある。
【0049】
ところで、紫外線が紫外線カット透過板16′によってどの程度遮断されるかは、紫外線カット透過板16′の材質による。そこで遮断率が低い材質の場合は、この紫外線カット透過板16′で紫外線を遮断した場合と全光線透過板16でこれを透過させた場合の還元電流値の差をとり、遮断率、すなわち紫外線カット透過板16′の材質に応じ、100%遮断した場合に換算するのが適当である。
【0050】
本実施の形態1においては、全光線受光量検出部Aと紫外線カット受光量検出部Bの共存電解液A,A′は上述した同一成分の溶液を使用し、キノンとして3−メチル−p−ベンゾキノンを採用しており、全光線受光量検出部Aでは、表面に設けられた全光線透過板16が紫外線を含む全光線を透過するため、透過した紫外線によって3−メチル−p−ハイドロキシベンゾキノンとなって3−メチル−p−ベンゾキノンの量が減少する。これとともに、他の光線(例えば赤外線など)や周囲の温度等によっても同様の変化を起こしてさらにその量を減らす。これに対し、紫外線カット受光量検出部Bでは、紫外線カット透過板16′が紫外線をカットするため、3−メチル−p−ベンゾキノンに対する紫外線の影響が断たれ、3−メチル−p−ベンゾキノンは紫外線以外の条件の影響で3−メチル−p−ハイドロキシベンゾキノンに変化して減少する。すなわち、両者の差は紫外線による3−メチル−p−ベンゾキノンの減少のみとなる。
【0051】
3−メチル−p−ベンゾキノンが減少すると、第1作用電極10と第2作用電極10′に3−メチル−p−ベンゾキノンの還元電位を印加したとき、第1作用電極10と第2作用電極10′近傍で3−メチル−p−ベンゾキノンがプロトンを奪って流れる還元電流がそれぞれ減少する。全光線受光量検出部Aと紫外線カット受光量検出部Bで測定した3−メチル−p−ベンゾキノンの還元電流値の差を算出すれば、この差は紫外線由来の還元電流値の差となる。そして、紫外線を受光する時間と、紫外線の強度ごとに予め検量しておいた3−メチル−p−ベンゾキノンの減少量を示す検量線との比較を行うことで紫外線の受光量を測定するものである。もし、紫外線カット透過板16′が100%紫外線をカットできない場合は、紫外線カット透過板16′の遮断率に応じて補正する。例えば、90%の遮断率なら1.03倍する。
【0052】
ところで、本実施の形態1においては、還元電流を測定するために第1作用電極10と第2作用電極10′の電位を掃引している。しかし、掃引する以外の別のタイプの電圧印加方法も有効である。そこで、掃引する方法を含め、この2つの印加方法についてもう少し詳細に説明する。
【0053】
1つめの印加方法は、既に述べ実施の形態1でも使用した方法で、対極11を比較電極12に対して、例えば+800mV〜−1000mVの範囲で掃引する方法である。掃引する電圧範囲は溶存酸素の影響を受けないようにするために選択されされたものであるが、各電極の種類やキノンの種類によっても変化するので注意が必要である。この方法はボルタンメトリーと呼ばれる。図4はボルタンメトリーを行ったときに現れる還元電流の説明図である。図4に示すように、ボルタンメトリーした場合、掃引の結果得られた電位−還元電流曲線(ボルタモグラム)の中に現れる還元電流のピーク値を測定する。なお、掃引速度としては電極反応を電子移動律速とするために10mV/s〜200mV/sとするのが適当である。
【0054】
2つめの印加方法は、対極11を比較電極12に対して3−メチル−p−ベンゾキノンの還元電位をパルス状またはステップ状に印加する方法である。キノンの種類にもよるが、おおむね紫外線の吸収との関係から−200mV〜−1000mVの範囲となるようなキノンを選ぶのが適当である。この電圧範囲は溶存酸素の影響を受けない範囲である。なお、第1作用電極10または第2作用電極10′が上記したような炭素材料とは別の材料になるとこの範囲は若干変動する。この印加方法はクロノアンペロメトリーと呼ばれる。クロノアンペロメトリーを行うと、第1作用電極10または第2作用電極10′表面に電気二重層が形成され、電極近傍でキノンがアニオン化して溶媒よりプロトンを奪う現象が発生する。本実施の形態1では3−メチル−p−ベンゾキノンが用いられているから、電子の移動により還元され、ヒドロ化して3−メチル−p−ヒドロキシベンゾキノンとなる。このとき急激に流れる還元電流はファラデー電流と呼ばれ、これが3−メチル−p−ベンゾキノンの量に比例するから、このファラデー電流値を測定することで逆に3−メチル−p−ベンゾキノンの量が測定できるものである。図5はクロノアンペロメトリーを行ったときに現れるファラデー電流の説明図である。
【0055】
本実施の形態1における紫外線センサーと測定チップは、以上説明した電気化学的方法で還元電流値の測定を行って、紫外線の量を算出し、表示部に紫外線照射量を表示するものであるが、その具体的な制御回路と操作について説明する。
【0056】
まず、紫外線受光量を測定するため測定チップCを身体の一部に取り付け、全光線受光量検出部Aの第1光透過窓13と紫外線カット受光量検出部Bの第2光透過窓13′を太陽の方向に向けるようにする。一定時間日光を浴びた後、測定チップCを身体から取り外し、本体1の測定チップ挿入部6に挿入する。これにより各電極と本体1内の制御回路が電気的に接続される。そこで、電源ボタン5を押して、紫外線センサーを起動させる。さらに、測定を開始するためにスタートボタン3を押す。図6は本実施の形態1における紫外線センサーの制御回路図である。図6において、35は表示部2の1つであるLCD、36は紫外線センサーを制御する制御部であって、マイクロコンピューターから構成され、メモリを備えている。制御部36は測定チップCの各電極に所定の電位を与える制御を行うとともにLCD35も制御し、後述の演算部48に全光線受光量検出部Aと紫外線カット受光量検出部Bのそれぞれで測定された還元電流のピーク値から紫外線量を算出させるものである。
【0057】
スタートボタン3と電源ボタン5が押されたら、制御部36は対応する回路内のスイッチをONし、紫外線センサーは動作可能になる。そして、制御部36はまず全光線受光量検出部Aに受光量の検出を開始させ、これが終了した時点に、紫外線カット受光量検出部Bに紫外線がカットされた光の受光量を検出するように指令する。
【0058】
37は比較電極12や対極11に所定の電位を印加するために制御部36が出力したデータをアナログ信号に変換するD/Aコンバーター、38は対極11に所定の電位を印加するオペアンプである。また、41は第1作用電極10,第2作用電極10′に還元電流を測定するための所定の電位を印加するために制御部36が出力したデータをアナログ信号に変換するD/Aコンバーター、43は第1作用電極10,第2作用電極10′に還元電流を測定するための所定の電位を印加するオペアンプ、44は第1作用電極10と対極11間,第2作用電極10′と対極11間を流れる電流を測定するための抵抗、45は第1作用電極10と第2作用電極10′とを切り替えるためのリレーである。46は抵抗44の両端で発生した降下電圧を入力され、オペアンプにより構成された差動増幅回路により増幅して出力する電圧増幅部、47は電圧増幅部46で増幅された電圧をデータ化して制御部36に入力するA/Dコンバーターである。抵抗44と電圧増幅部46が実施の形態1の検知部である。本実施の形態1においては、リレー45を切り替えることにより、第1作用電極10と対極11間を流れる電流を検知する第1検知部と、第2作用電極10′と対極11間を流れる電流を検知する第2検知部とを兼用することができ、回路が簡略化されている。同様に、本実施の形態1ではD/Aコンバーター37,41の出力電圧は制御部36からのデータにより可変にできるので、第1作用電極10と対極11間、第2作用電極10′と対極11間の電圧を等電圧だけではなく別の電圧とすることができる。
【0059】
制御部36は検知したデータを第1作用電極10と対極11間,第2作用電極10′と対極11間を流れる電流値として内部のメモリに記憶する。48は演算部で、全光線受光量検出部Aと紫外線カット受光量検出部Bのそれぞれで測定した還元電流値の差をとり、メモリされている紫外線の検量線データと比較して、内挿して紫外線の受光量を算出する。
【0060】
続いて、本実施の形態1の制御回路がどのように動作するのか説明する。測定チップCを、本体1の測定チップ挿入部6に挿入し、電源ボタン5を押して起動させる。さらに、測定を開始するためにスタートボタン3を押すと、制御部36は対応する制御回路の各スイッチをONし、紫外線センサーを動作可能にする。次いで、制御部36は全光線受光量検出部Aに受光量の検出を開始させるように指令する。紫外線を含んだ全光線(日光)による3−メチル−p−ベンゾキノンの還元電流値を測定するため、制御部36は、第1作用電極、対極11、比較電極12に通電する必要から、リレー45をA′側に接続する。その後、制御部36は比較電極12に対するデータをメモリから読み出し、D/Aコンバーター37でアナログ化してオペアンプ38に入力する。オペアンプ38はイマジナリショートを利用して比較電極をデータどおり基準の電圧になるように対極11に印加する電位を制御する。同時に、制御部36は第1作用電極10に対するデータをメモリから読み出し、D/Aコンバーター41でアナログ化してオペアンプ43に入力する。オペアンプ43は電流を検出するための抵抗44で電圧降下が起こり、出力側の第1作用電極10の電位に変化がでるのを防止するため、ホロアとなっている。これにより第1作用電極10はデータどおりに所定の電位に制御される。
【0061】
実施の形態1では、全光線受光量検出部Aの光照射量を検出するためボルタンメトリーするから、制御部36は第1作用電極10の電位を、10mV/s〜200mV/sの掃引速度、+800mV〜−1000mVの範囲で掃引する。対極11には、第1作用電極10を比較電極12の電位を基準にしたとき、掃引する所定の電位になるような電位がオペアンプ38のイマジナリショートにより印加される。このとき第1作用電極10を流れる還元電流値は抵抗44による電圧降下で検出され、電圧増幅部46で増幅してからA/Dコンバーター47を介してデータ化して制御部36に入力される。制御部36は電流値のデータの中でボルタモグラムを構成するデータの中で、ピーク値となるデータを選択してメモリする。このデータが全光線受光量検出部Aの3−メチル−p−ベンゾキノンに対する劣化データである。
【0062】
続いて、制御部36は、紫外線カット受光量検出部Bに紫外線をカットされた光の受光量を検出するように指令する。紫外線カット受光量検出部Bにより受光量を検出する場合も、以上説明した全光線受光量検出部Aによる検出と同様である。紫外線をカットした光線による3−メチル−p−ベンゾキノンの還元電流を測定するため、制御部36は第2作用電極10′、対極11、比較電極12に通電する必要から、リレー45をB′側に接続する。その後、制御部36は比較電極12に対するデータをメモリから読み出し、D/Aコンバーター37でアナログ化してオペアンプ38に入力する。オペアンプ38はイマジナリショートを利用して比較電極をデータどおり基準の電圧になるように対極11に印加する電位を制御する。また、制御部36は第2作用電極10′に対するデータをメモリから読み出し、D/Aコンバーター41でアナログ化してオペアンプ43に入力する。オペアンプ43は電流を検出するための抵抗44で電圧降下が起こり、出力側の第2作用電極10′の電位に変化がでるのを防止するため、ホロアとなっている。これにより第2作用電極10′はデータどおりに所定の電位に制御される。制御部36は第2作用電極10′の電位を、10mV/s〜200mV/sの掃引速度、+800mV〜−1000mVの範囲で掃引する。対極11には、第2作用電極10′を比較電極12の電位を基準にしたとき、掃引電位になるような電位がオペアンプ38のイマジナリショートにより印加される。このとき第2作用電極10′を流れる還元電流値は抵抗44による電圧降下で検出され、電圧増幅部46で増幅してからA/Dコンバーター47を介してデータ化して制御部36に入力される。制御部36は電流値のデータの中でボルタモグラムを構成するデータの中で、ピーク値となるデータを選択してメモリする。このデータが紫外線カット受光量検出部Bの3−メチル−p−ベンゾキノンに対する劣化データである。
【0063】
制御部36が、全光線受光量検出部Aの3−メチル−p−ベンゾキノンに対する劣化データと、全光線受光量検出部Aの3−メチル−p−ベンゾキノンに対する劣化データを得ると、演算部48がメモリされている紫外線の検量線と比較することにより、紫外線の受光量を算出するものである。
【0064】
ところで、以上説明した実施の形態1は、制御部36が紫外線量をボルタンメトリーすることによって還元電流のピーク値を求めているが、上述のクロノアンペロメトリーすることでファラデー電流を測定して紫外線の受光量を算出することもできる。この場合、制御部36はリレー45をA′接点に設定し、第1作用電極10にパルス状またはステップ状の電圧を印加する。このとき第1作用電極10を流れる還元電流値を抵抗44によって検出し、電圧増幅部46、A/Dコンバーター47を介してデータ化して制御部36に入力する。制御部36は電流値のデータの中でファラデー電流とみられるデータを選択してメモリする。次いで、制御部36はリレー45をB′接点に切り替え、第2作用電極10′にパルス状またはステップ状の電圧を印加する。このとき流れる還元電流値を抵抗44によって検出し、電圧増幅部46、A/Dコンバーター47を介してデータ化して制御部36に入力する。制御部36は電流値のデータの中でファラデー電流とみられるデータを選択してメモリする。演算部48は、これらのデータから、予めメモリしておいた紫外線照射量の検量線と比較することで紫外線量を算定できるものである。
【0065】
このように、本実施の形態1の紫外線センサーは、ボルタンメトリーによって全光線の照射量を測定するとともに、紫外線を除いた光の照射量を測定し、2つの照射量の差をとるから、測定チップに照射された紫外線の量を算出できる。また、クロノアンペロメトリーすることによって測定チップに照射された紫外線の量を短時間で測定できる。
【0066】
【発明の効果】
本発明の請求項1に記載された発明は、対極と比較電極を共用し、全光線受光量検出部と紫外線カット受光量検出部を備えて、収容されたキノンが紫外線の照射で減少したものと、減少しないものとの2つを測定し、両者の差を計算して紫外線照射量を算出するから、小量の試薬で測定でき、構造が非常に簡単化でき、簡単に操作でき、持ち運びが容易で、受光時間の長さによらず、安価で、精度の高い紫外線量を測定することができる。
【0067】
請求項2に記載された発明は、全光線透過板が石英ガラスを含んでいるから、他の周波数の光を遮断することなく、紫外線を99%以上透過させ、さらに安価である。
【0068】
請求項3に記載された発明は、紫外線カット透過板が紫外線カットフィルターを備えているから、他の周波数の光を遮断することなく、紫外線のみをカットできる。
【0069】
請求項4に記載された発明は、第1作用電極と第2作用電極がそれぞれ炭素,ガラス状炭素,金の中から選ばれた1以上の材料から構成されているから、電流値を安定して測定できる。
【0070】
請求項5に記載された発明は、対極が耐食性導電体から構成されているので、劣化もなく、安定して測定できる。
【0071】
請求項6に記載された発明は、耐食性導電体が白金,ステンレス,白金含有合金,炭素の中から選ばれた1以上の材料から構成されているから、劣化がほとんんどなく、安定した測定ができる。
【0072】
請求項7に記載された発明は、比較電極がそれぞれ金または炭素から構成されているから、比較電極が単純で安価になる。
【0073】
請求項8に記載された発明は、紫外線測定用チップを挿入する測定用チップ挿入部を備え、紫外線測定用チップを挿入したとき第1作用電極と対極間に電圧を印加できる第1電源と、第2作用電極と対極間に電圧を印加できる第2電源とを有し、第1作用電極と比較電極間を比較電極を基準にして所定の電位に制御するとともに、第2作用電極と比較電極間を比較電極を基準にして所定の電位に制御する制御部と、第1作用電極と対極間に流れる電流を検知する第1検出部と、第2作用電極と対極間に流れる電流を検知する第2検出部とを有し、第1検出部と第2検出部で検知された電流値の差から紫外線量を算出する演算部を備えたから、小量の試薬で測定でき、コンパクトかつ簡単に操作でき、制御部がより簡単であり、持ち運びが容易で、受光時間の長さによらず、精度の高い紫外線量を測定することができる。
【0074】
請求項9に記載された発明は、紫外線測定用チップを挿入する測定用チップ挿入部を備え、紫外線測定用チップを挿入したとき第1作用電極と比較電極間を比較電極を基準にして所定の電位に制御するとともに第2作用電極と比較電極間を比較電極を基準にして所定の電位に制御する制御部と、第1作用電極と対極間に流れる電流を検知する第1検出部と、第2作用電極と対極間に流れる電流を検知する第2検出部とを有し、第1検出部と第2検出部で検知された電流の差から紫外線量を算出する演算部を備えたから、小量の試薬で測定でき、コンパクトかつ簡単に操作でき、制御部がより簡単であり、持ち運びが容易で、受光時間の長さによらず、精度の高い紫外線量を測定することができる。
【0075】
請求項10に記載された発明は、第2電源と第1電源を共用するから、電源回路がコンパクトになる。
【0076】
請求項11に記載された発明は、制御部が10mV/s〜200mV/sの掃引速度で掃引するから、電流のプレピーク値を精度良く測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1における紫外線センサーの概略外観図
【図2】本発明の実施の形態1における紫外線センサーの紫外線測定用チップの説明図
【図3】キノン含有の共存電解液への光の照射時間とキノン還元電流のピーク値の関係を示すグラフ
【図4】ボルタンメトリーを行ったときに現れる還元電流の説明図
【図5】クロノアンペロメトリーを行ったときに現れるファラデー電流の説明図
【図6】本実施の形態1における紫外線センサーの制御回路図
【符号の説明】
1 本体
2 表示部
3 スタートボタン
3′ スタート・スイッチ
4 モード切り替えボタン
4′ モード切り替えスイッチ
5 電源ボタン
6 測定チップ挿入部
7 第1作用電極用パターン
7′ 第2作用電極用パターン
7t1 第1作用電極用の端子
7t2 第2作用電極用の端子
8 対極用パターン
8t 対極用の端子
9 比較電極用パターン
9t 比較電極用の端子
10 第1作用電極
10′ 第2作用電極
11 対極
12 比較電極
13 第1光透過窓
13′ 第2光透過窓
14 第1反応室
14′ 第2反応室
15 基板
16 全光線透過板
16′ 紫外線カット透過板
35 LCD
36 制御部
37,41 D/Aコンバーター
38,43 オペアンプ
44 抵抗
45 リレー
46 電圧増幅部
47 A/Dコンバーター
48 演算部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultraviolet ray measuring chip provided with a first reaction chamber that receives all light rays and a second reaction chamber that receives ultraviolet light that has been cut in order to measure the amount of ultraviolet rays, and the ultraviolet ray measuring chip. The present invention relates to an ultraviolet sensor that is attached and electrochemically calculates the amount of ultraviolet rays.
[0002]
[Prior art]
The light in the range of 400 to 770 nm is called a so-called visible ray, and is a ray that can be seen by human eyes. Of these, the light with a short wavelength of around 400 nm is a violet light, and the light with a shorter wavelength close to the violet is called an ultraviolet ray. There are also three types of ultraviolet rays. The first is a UV-A wave, which has a wavelength of 320 to 400 nm, and has a property of passing through the epidermis and directly hitting the dermis. It causes wrinkles and sagging. The second one has a wavelength of 290 to 320 nm and is called a UV-B wave, which is blocked by the epidermis and causes skin cancer, blotches and freckles, and has the strongest influence on human skin. The third one has a wavelength of 290 nm or less and is called a UV-C wave, and is almost absorbed by the ozone layer, but affects the gene and causes skin cancer. The light having the longest wavelength among visible light rays is red light existing in the vicinity of 760 nm. When the wavelength exceeds 760 nm, the light exceeds red and is called infrared light. Among these, short infrared rays having a wavelength near 760 nm are called near infrared rays, and infrared rays having a long wavelength of 50 to 1000 μm are called far infrared rays. This is an energy wave that is most easily absorbed by humans.
[0003]
Among the lights described above, the most harmful light is ultraviolet rays. Ultraviolet rays have an effect on the skin as described above, and there are not only serious effects that cause lesions on skin tissue, but also minor effects that occur daily. That is, when melanocytes (pigment-forming cells) in the skin are exposed to ultraviolet rays, melanin pigments are produced, and the skin becomes black and spots and freckles are produced. On the other hand, the first of the serious effects that cause lesions is that UV rays damage the genes in the nucleus of skin cells and cause cancer. Normally, even if some genes are damaged, the enzyme that cures them works and is repaired, but if a strong sunburn or wound is formed by a large amount of exposure, the enzyme is not fully repaired and the cell is mutated Cause the risk of developing cancer.
[0004]
By the way, in recent years, chlorofluorocarbon gas, which has been used extensively as a stable and excellent refrigerant, has been released into the atmosphere without careful examination, and the ozone layer surrounding the earth's atmosphere is destroyed. It has occurred. The ozone layer plays an important role in protecting the organisms by blocking the ultraviolet rays that fall on the earth, but because the ozone layer is destroyed, the amount of ultraviolet rays that reach the earth's surface increases, skin cancer occurs frequently, and organisms are greatly affected. It has become like this. The incidence of skin cancer in Japan was about 1 in 100,000 in the 1960s and 1970s, but is now increasing to about 5 per 100,000. However, this ratio is much smaller than the ratio of 800 per 100,000 in Australia and 250 per 100,000 in the United States, but it can be said that it has definitely increased. And when ozone decreases by 1%, there is a report that ultraviolet rays increase by 2% and skin cancer patients increase by about 3-5% (Masahiko Ichihashi, “Medical Renaissance”, Yomiuri Shimbun, [online], (March 2000) Search on March 3), <URL: http://www3.omiuri.co.jp/medical/life/96112901.htm>).
[0005]
By the way, the proportion of skin cancer patients among the dermatological outpatients in the 1970s and 1980s was investigated in 24 university hospitals nationwide. Comparing the two ages, skin cancer patients in the 1980s increased by 17% in basal cell carcinomas in the lowermost layer of the epidermis, and the skin was precancerous and had red and black spots and sores on the skin. It has been reported that possible actinic keratosis has increased by 84%. Therefore, it is an important factor for growth that children etc. play outdoors outdoors during the day, but when playing for a long time in sports or recreation and taking a lot of sunlight, it is counterproductive, wearing a long sleeve shirt, It turns out that measures against ultraviolet rays such as applying sunscreen cream are necessary. In particular, patients with xeroderma pigmentosum that cause extreme sunburn even with very small amounts of UV rays develop cancers that are 1000 to 2000 times more common than normal people because of the genetic defect in the enzyme system that repairs genes that have been damaged by UV rays. There is a risk, and UV protection must be taken with great care.
[0006]
Prof. Masamitsu Ichihashi of Kobe University is conducting an experiment to show how important this UV countermeasure is. The experiment is to thoroughly teach UV protection measures such as applying sunscreen cream and wearing a hat to the patients of 4 and 2 years old suffering from xeroderma pigmentosum. It is a follow-up study of how much the difference between two years of two people who have been defenseless until then can affect the carcinogenesis by blocking the effects. As a result, both of them developed cancer, but the older sister developed cancer at the age of 13, and the younger sister developed cancer at the age of 23. In other words, because my sister had been exposed to many UV rays for two years in her childhood, she had developed cancer as early as 10 years. It is a fact that shows how important protection from UV rays is. Moreover, ultraviolet rays also have an adverse effect on the immune system of the skin. Animal experiments have demonstrated that UV irradiation reduces systemic immunity and makes it more susceptible to infections.
[0007]
If immunity decreases, cancer cells cannot be eliminated even if they are generated. In a study in the United States, 40% of normal people and 95% of skin cancer patients are immunized when exposed to about 4 times the amount of UV rays, based on the amount of UV light that makes the skin lightly red. It has been reported that the force did not work properly.
[0008]
By the way, in Europe and the United States, there is a general awareness that sunburn is dangerous, but most skin cancer patients in Japan are elderly, and it often takes more time than young people to get sick. In Japan, it is said that the recognition of ultraviolet rays is sweet. However, in the present age when the ozone layer is beginning to be destroyed, it cannot be said that it is irrelevant to ourselves and is being held by the chief.
[0009]
This ozone layer is formed by stratospheric oxygen (O 2 ) Ozone (O Three ) Is a layer of the atmosphere that has been changed to a higher concentration. By such a reaction, harmful ultraviolet rays such as UV-C contained in the sunlight are cut off, and the life of living creatures on the surface is protected. However, as already mentioned, Freon gas has been used extensively as a cleaning liquid for refrigerants and semiconductors for the last couple of decades, and it has been released into the atmosphere without fully considering its environmental impact. It is said that chlorine in Freon gas is released by receiving ultraviolet rays in the stratosphere, and this reacts with ozone in the ozone layer and further decomposes into oxygen and CLO. When ozone concentration decreases in this way, the ozone layer no longer has the ability to block harmful ultraviolet rays, the ultraviolet rays reach the surface of the earth on a daily basis, and living organisms are exposed to a large amount of ultraviolet rays without their knowledge. This has had a major impact on life support.
[0010]
Therefore, the necessity of actually measuring the amount of received light has not increased as much as the amount of ultraviolet rays in daily life. In response to this situation, the Environment Agency and the Japan Meteorological Agency have started monitoring ultraviolet rays in Tokyo since 1993. However, there have been few measuring apparatuses for measuring ultraviolet rays.
[0011]
Then, what kind of apparatus has existed in the conventional ultraviolet ray measuring apparatus is demonstrated. A typical example is the Brewer spectrophotometer. This Brewer spectrophotometer has the characteristic that UV-B ultraviolet rays can be spectroscopically observed with high accuracy at wavelengths of 0.5 nm. However, the Brewer spectrophotometer is somewhat unstable and requires strict maintenance. As another ultraviolet ray measuring apparatus, there is a UV sensor whose color gradually changes from white to blue when exposed to sunlight. The amount of ultraviolet rays is judged by looking at the color change. In addition, there is an ultraviolet intensity sensor that electrically measures ultraviolet rays (Japanese Patent Laid-Open No. 9-304177). This UV intensity sensor has a quartz fiber whose one end is installed in the light irradiator, a UV bandpass filter that extracts only the UV component from the light guided by this quartz fiber, and a light that measures the intensity of this UV component. The apparatus includes a side light part provided with an intensity sensor, and an intensity meter body provided with a display unit for displaying the ultraviolet intensity based on an ultraviolet intensity signal from the side light part.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, although the conventional Brewer spectrophotometer is highly accurate, it is slightly less stable, so strict maintenance management is required, and inspection and calibration must be performed very frequently. In addition, it is expensive and cannot be carried around. Unless it is an expert, it cannot be used, and cannot be said to be a measurement device suitable for measuring the amount of irradiation that ordinary people take every day.
[0013]
Next, the UV sensor has a problem that accuracy is poor because it is judged by looking at a simple color change, and there is a problem that there is a large individual difference in evaluation of measurement results because it depends on a personal feeling.
[0014]
Furthermore, the conventional ultraviolet intensity sensor can measure only the intensity at that time, and cannot measure the accumulated amount of ultraviolet rays that have been taken throughout the day. At the same time, this sensor was complex in structure and difficult to carry.
[0015]
Therefore, in order to solve such problems, the present invention can measure with a small amount of reagent, is simple in structure, easy to handle, and measures the amount of ultraviolet rays with low cost and high accuracy regardless of the length of light receiving time. An object of the present invention is to provide an ultraviolet measurement chip that can be used.
[0016]
In addition, the present invention provides an ultraviolet sensor that can measure with a small amount of reagent, is compact and easy to operate, is easy to carry, and inexpensively measures the amount of ultraviolet rays with high accuracy regardless of the length of light reception time. For the purpose.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the ultraviolet ray measuring chip of the present invention is an ultraviolet ray measuring chip including a total light reception amount detection unit and an ultraviolet cut light reception amount detection unit, and the total light reception amount detection unit includes: A first reaction chamber having a first light transmission window containing a quinone, an organic solvent, and an electrolyte-containing coexisting electrolyte solution and provided with a total light transmission plate is formed, and the ultraviolet ray cut received light amount detection unit includes: A second reaction chamber having a second light transmission window containing a quinone, an organic solvent, and an electrolyte-containing coexisting electrolyte solution and provided with an ultraviolet cut transmission plate is formed, and the first reaction chamber and the second reaction chamber have a second reaction chamber. The counter electrode and the reference electrode that are immersed in the respective coexisting electrolytes are provided extending to both reaction chambers, and the first working electrode that is immersed in the coexisting electrolyte is provided in the first reaction chamber. In addition, the second reaction chamber is immersed in a coexisting electrolyte. The second working electrode is disposed is, the first working electrode, said second working electrode, the counter electrode, characterized in that it comprises a plurality of terminals, wherein the reference electrode respectively electrically connected.
[0018]
Accordingly, it is possible to measure with a small amount of reagent, and with a simple structure, it is easy to handle, and it is possible to measure the amount of ultraviolet rays with high accuracy at low cost regardless of the length of the light receiving time.
[0019]
Further, the ultraviolet sensor according to the present invention includes the measurement chip insertion portion in which the ultraviolet measurement chip is inserted and a connector terminal that can be electrically connected to each of the terminals is provided, and the ultraviolet measurement chip is inserted. A first power source capable of applying a voltage between the first working electrode and the counter electrode, and a second power source capable of applying a voltage between the second working electrode and the counter electrode, the first working electrode and the comparison A controller that sweeps the potential between the electrodes and sweeps the potential between the second working electrode and the comparison electrode; a first detector that detects a current flowing between the first working electrode and the counter electrode; An arithmetic unit that has a second detection unit that detects a current flowing between the second working electrode and the counter electrode, and calculates an ultraviolet ray amount from a difference between current values detected by the first detection unit and the second detection unit It is provided with.
[0020]
Thereby, it can be measured with a small amount of reagent, can be operated in a compact and simple manner, is easy to carry, and can measure the amount of ultraviolet rays with low cost and high accuracy regardless of the length of the light receiving time.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Invention of
[0022]
The invention described in
[0023]
The invention described in claim 3 is the ultraviolet ray measuring chip according to
[0024]
The invention described in
[0025]
The invention described in
[0026]
The invention described in
[0027]
The invention described in
[0028]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a measurement chip insertion portion in which the ultraviolet ray measurement chip according to any one of the first to seventh aspects is inserted and provided with connector terminals that can be electrically connected to the terminals. A first power source capable of applying a voltage between the first working electrode and the counter electrode when the ultraviolet measuring chip is inserted, and a second power source capable of applying a voltage between the second working electrode and the counter electrode. A control unit that sweeps a potential between the first working electrode and the comparison electrode and sweeps a potential between the second working electrode and the comparison electrode; and flows between the first working electrode and the counter electrode A first detection unit that detects current; and a second detection unit that detects current flowing between the second working electrode and the counter electrode; and current detected by the first detection unit and the second detection unit Equipped with a calculation unit that calculates the amount of ultraviolet rays from the difference in values The UV sensor is characterized by the fact that it can measure with a small amount of reagent, is compact and easy to operate, is easy to carry, and measures the amount of UV light with high accuracy at a low price regardless of the length of light receiving time. can do.
[0029]
The invention described in
[0030]
The invention described in
[0031]
The invention described in
[0032]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0033]
(Embodiment 1)
First, an ultraviolet sensor and an ultraviolet measurement chip according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic external view of an ultraviolet sensor according to
[0034]
FIG. 2 is an explanatory diagram of the ultraviolet ray measuring chip of the ultraviolet sensor according to
[0035]
The first working
[0036]
Next, the counter electrode pattern 8 is formed by thinly forming a conductive carbon paste containing a resin binder on the
[0037]
Further, the
[0038]
The first working electrode terminal 7t1, the
[0039]
2, 13 is a first light transmission window, 13 'is a second light transmission window, 14 is a first reaction chamber, 14' is a second reaction chamber, 16 is a total light transmission plate, and 16 'is an ultraviolet ray. It is a cut transmission plate. A first
[0040]
The
[0041]
Thus, the first working
[0042]
As can be seen from the above description, in the first embodiment, since the
[0043]
By the way, the coexisting electrolyte A and coexisting electrolyte A ′ for electrochemically measuring the amount of received light are accommodated in the
[0044]
A total
[0045]
As described above, the
[0046]
The measurement chip C has the same effect on the quinone except for the influence of ultraviolet rays, and the
[0047]
Next, the reason why the amount of ultraviolet rays can be detected by the measurement chip C of the first embodiment will be described below. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the irradiation time of light to the quinone-containing coexisting electrolyte and the peak value of the quinone reduction current. The quinone is 3-methyl-p-benzoquinone, and the irradiated light is 30 W / m. 2 Sunlight that hits all ultraviolet rays and all rays. The measurement conditions at this time are that the working electrode and the reference electrode are made of glassy carbon, the counter electrode is made of platinum, and the working electrode has an area of 3.2 mm. 2 The coexisting electrolyte is a mixture of 3-methyl-p-benzoquinone 20 mM, sodium chloride 150 mM, and a mixing ratio of ethanol and water 8: 2, and works so that the working electrode becomes the sweep potential based on the reference electrode potential. A voltage was applied between the electrode and the counter electrode, and sweeping was performed at a sweep rate of 100 mV / sec to obtain a reduction current having a peak at the reduction potential of 3-methyl-p-benzoquinone. As will be described later, the reduction current value may be obtained by measuring a Faraday current by applying a predetermined voltage instead of sweeping. As shown in FIG. 3, the peak value of the quinone reduction current decreases as the light reception time increases, regardless of whether ultraviolet rays are received or all sunlight is received. Therefore, the measurement chip is irradiated with ultraviolet rays whose intensity is known in advance, and thereby the coexisting electrolyte in which 3-methyl-p-benzoquinone is reduced is measured electrochemically, and the light receiving time and the intensity of the ultraviolet rays are made variable. If a calibration curve is prepared, the amount of ultraviolet light received by the measuring chip can be measured only by measuring the amount of 3-methyl-p-benzoquinone.
[0048]
However, it is not only light that affects quinone degradation. Factors other than light, such as ambient temperature, also have a significant effect on quinone degradation. Therefore, in the present invention, as described above, two coexisting electrolytes that block only the ultraviolet rays and two coexisting electrolytes that do not block the ultraviolet rays and are given the same conditions are measured almost simultaneously. Yes. Except for ultraviolet rays, both conditions are exactly the same. Therefore, if the amount of quinone is measured with two coexisting electrolytes, the amount of quinone that is excessively reduced in the coexisting electrolyte on the side exposed to ultraviolet rays is proportional to the amount of received light. Will be. In this way, by taking the difference between the coexisting electrolyte measured by blocking ultraviolet light and the coexisting electrolyte measured by transmitting all light, the amount of decrease in quinone due to the influence of ultraviolet light is obtained and measured in advance. The amount of received light of ultraviolet rays can be detected by comparing with the calibration curve of ultraviolet rays. As can be seen from the above description, according to the ultraviolet ray measuring method of the present invention, since the amount of received ultraviolet rays can be accurately measured in proportion to time, the ultraviolet ray for one day that a conventional Brewer spectrophotometer could not perform. The feature is that it can accurately measure the amount of light received for a long time, such as the amount of light received.
[0049]
By the way, how much ultraviolet rays are blocked by the ultraviolet cut transmission plate 16 'depends on the material of the ultraviolet cut transmission plate 16'. Therefore, in the case of a material with a low blocking rate, the difference between the reduction current values when the ultraviolet ray is blocked by the ultraviolet ray cut transmission plate 16 'and when the ultraviolet ray is transmitted by the total
[0050]
In the first embodiment, the coexisting electrolytes A and A ′ of the total light received light amount detecting unit A and the ultraviolet light cut received light amount detecting unit B use the same solution as described above, and 3-methyl-p- is used as a quinone. In the total light receiving amount detection unit A, since the total
[0051]
When 3-methyl-p-benzoquinone decreases, when the reduction potential of 3-methyl-p-benzoquinone is applied to the first working
[0052]
By the way, in the first embodiment, the potentials of the first working
[0053]
The first application method is a method in which the
[0054]
The second application method is a method in which the
[0055]
The ultraviolet sensor and the measuring chip in the first embodiment measure the reduction current value by the electrochemical method described above, calculate the amount of ultraviolet rays, and display the ultraviolet irradiation amount on the display unit. The specific control circuit and operation will be described.
[0056]
First, a measuring chip C is attached to a part of the body in order to measure the amount of received UV light, and the first
[0057]
When the start button 3 and the
[0058]
[0059]
The
[0060]
Next, how the control circuit of the first embodiment operates will be described. The measurement chip C is inserted into the measurement
[0061]
In
[0062]
Subsequently, the
[0063]
When the
[0064]
In the first embodiment described above, the
[0065]
As described above, the ultraviolet sensor according to the first embodiment measures the irradiation amount of all rays by voltammetry, measures the irradiation amount of light excluding the ultraviolet rays, and takes the difference between the two irradiation amounts. It is possible to calculate the amount of ultraviolet rays irradiated to the. Moreover, the amount of ultraviolet rays irradiated to the measuring chip can be measured in a short time by performing chronoamperometry.
[0066]
【The invention's effect】
The invention described in
[0067]
In the invention described in
[0068]
In the invention described in claim 3, since the ultraviolet cut transmitting plate includes the ultraviolet cut filter, it is possible to cut only ultraviolet rays without blocking light of other frequencies.
[0069]
In the invention described in
[0070]
In the invention described in
[0071]
In the invention described in
[0072]
In the invention described in
[0073]
The invention described in claim 8 is provided with a measurement chip insertion portion for inserting an ultraviolet measurement chip, and a first power source capable of applying a voltage between the first working electrode and the counter electrode when the ultraviolet measurement chip is inserted; A second power source capable of applying a voltage between the second working electrode and the counter electrode, and the first working electrode and the comparison electrode are controlled to a predetermined potential with reference to the comparison electrode; the second working electrode and the comparison electrode; A control unit that controls the gap between the first working electrode and the counter electrode, a first detecting unit that detects current flowing between the first working electrode and the counter electrode, and a current that flows between the second working electrode and the counter electrode It has a second detection unit, and since it has a calculation unit that calculates the amount of ultraviolet rays from the difference between the current values detected by the first detection unit and the second detection unit, it can be measured with a small amount of reagent, and is compact and simple. Easy to operate, easier to control and easy to carry , Regardless of the lengths of the light receiving time can be measured with high UV dose accuracy.
[0074]
The invention described in
[0075]
In the invention described in
[0076]
In the invention described in
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic external view of an ultraviolet sensor according to
FIG. 2 is an explanatory diagram of an ultraviolet ray measuring chip of the ultraviolet ray sensor according to
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the irradiation time of light to the quinone-containing coexisting electrolyte and the peak value of the quinone reduction current.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a reduction current that appears when voltammetry is performed.
FIG. 5 is an explanatory diagram of Faraday current that appears when chronoamperometry is performed.
FIG. 6 is a control circuit diagram of the ultraviolet sensor in the first embodiment.
[Explanation of symbols]
1 body
2 display section
3 Start button
3 'Start switch
4 Mode switching button
4 'Mode selector switch
5 Power button
6 Measuring tip insertion part
7 First working electrode pattern
7 'Second working electrode pattern
7t1 Terminal for first working electrode
7t2 Terminal for second working electrode
8 Pattern for counter electrode
Terminal for 8t counter electrode
9 Reference electrode pattern
9t Terminal for reference electrode
10 First working electrode
10 'second working electrode
11 Counter electrode
12 Reference electrode
13 First light transmission window
13 'second light transmission window
14 First reaction chamber
14 'Second reaction chamber
15 Substrate
16 Total light transmission plate
16 'UV cut transmission plate
35 LCD
36 Control unit
37,41 D / A converter
38,43 operational amplifier
44 Resistance
45 Relay
46 Voltage amplifier
47 A / D converter
48 Calculation unit
Claims (11)
前記全光線受光量検出部には、キノン,有機溶媒,電解質含有の共存電解液を収容し、全光線透過板が設けられた第1光透過窓を有する第1反応室が形成されるとともに、前記紫外線カット受光量検出部には、キノン,有機溶媒,電解質含有の共存電解液を収容し、紫外線カット透過板が設けられた第2光透過窓を有する第2反応室が形成され、
前記第1反応室と第2反応室には、双方の反応室に延びて、それぞれの共存電解液に浸漬される対極と比較電極が配設され、且つ前記第1反応室には共存電解液に浸漬される第1作用電極が配設されるとともに、前記第2反応室には共存電解液に浸漬される第2作用電極が配設され、
前記第1作用電極,前記第2作用電極,前記対極,前記比較電極とそれぞれ電気的に接続された複数の端子を備えていることを特徴とする紫外線測定用チップ。An ultraviolet ray measuring chip having a total light received light amount detection unit and an ultraviolet cut light reception amount detection unit,
The total light receiving amount detection unit contains a quinone, an organic solvent, an electrolyte-containing coexisting electrolyte, and a first reaction chamber having a first light transmission window provided with a total light transmission plate is formed. The ultraviolet cut light-receiving amount detection unit contains a quinone, organic solvent, electrolyte-containing coexisting electrolyte, and a second reaction chamber having a second light transmission window provided with an ultraviolet cut transmission plate is formed.
The first reaction chamber and the second reaction chamber have a counter electrode and a reference electrode that extend into both reaction chambers and are immersed in the respective coexisting electrolyte, and the first reaction chamber has a coexisting electrolyte. A first working electrode immersed in the second reaction chamber is disposed in the second reaction chamber,
An ultraviolet ray measuring chip comprising a plurality of terminals electrically connected to the first working electrode, the second working electrode, the counter electrode, and the comparison electrode.
前記紫外線測定用チップを挿入したとき前記第1作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第1電源と、前記第2作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第2電源とを有し、
前記第1作用電極と前記比較電極間の電位を掃引するとともに、前記第2作用電極と前記比較電極間の電位を掃引する制御部と、
前記第1作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第1検出部と、前記第2作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第2検出部とを有し、
前記第1検出部と前記第2検出部で検知された電流値の差から紫外線量を算出する演算部を備えたことを特徴とする紫外線センサー。Inserting the ultraviolet measurement chip according to any one of claims 1 to 7, comprising a measurement chip insertion portion provided with a connector terminal that can be electrically connected to each of the terminals,
A first power source capable of applying a voltage between the first working electrode and the counter electrode when the ultraviolet measuring chip is inserted; and a second power source capable of applying a voltage between the second working electrode and the counter electrode;
A controller that sweeps a potential between the first working electrode and the comparison electrode and sweeps a potential between the second working electrode and the comparison electrode;
A first detector for detecting a current flowing between the first working electrode and the counter electrode; and a second detector for detecting a current flowing between the second working electrode and the counter electrode;
An ultraviolet sensor comprising: an arithmetic unit that calculates an ultraviolet ray amount from a difference between current values detected by the first detection unit and the second detection unit.
前記紫外線測定用チップを挿入したとき前記第1作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第1電源と、前記第2作用電極と前記対極間に電圧を印加できる第2電源とを有し、
前記第1作用電極と前記比較電極間を前記比較電極を基準にして所定の電位に制御するとともに、前記第2作用電極と前記比較電極間を前記比較電極を基準にして所定の電位に制御する制御部と、
前記第1作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第1検出部と、前記第2作用電極と前記対極間に流れる電流を検知する第2検出部とを有し、
前記第1検出部と前記第2検出部で検知された電流値の差から紫外線量を算出する演算部を備えたことを特徴とする紫外線センサー。Inserting the ultraviolet measurement chip according to any one of claims 1 to 7, comprising a measurement chip insertion portion provided with a connector terminal that can be electrically connected to each of the terminals,
A first power source capable of applying a voltage between the first working electrode and the counter electrode when the ultraviolet measuring chip is inserted; and a second power source capable of applying a voltage between the second working electrode and the counter electrode;
The first working electrode and the comparison electrode are controlled to a predetermined potential with reference to the comparison electrode, and the second working electrode and the comparison electrode are controlled to have a predetermined potential with reference to the comparison electrode. A control unit;
A first detector for detecting a current flowing between the first working electrode and the counter electrode; and a second detector for detecting a current flowing between the second working electrode and the counter electrode;
An ultraviolet sensor comprising: an arithmetic unit that calculates an ultraviolet ray amount from a difference between current values detected by the first detection unit and the second detection unit.
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