JP7650456B2 - Salt sensor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、塩センサ装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a salt sensor device and a manufacturing method thereof.
従来、光ファイバを用いるセンサ装置として、例えば、光ファイバのヘテロコア部のクラッド外周面に金ナノ粒子が固着された光ファイバ装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a sensor device using optical fiber, for example, an optical fiber device in which gold nanoparticles are fixed to the outer surface of the cladding of the heterocore part of the optical fiber is known (for example, see Patent Document 1).
特許文献1記載の光ファイバ装置は、光伝送部から前記ヘテロコア部を介して前記光ファイバで光の伝送を行った場合に、前記ヘテロコア部での近赤外域の所定波長の光の吸収度合が該ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率に応じて変化するように構成されている。この結果、前記光ファイバ装置によれば、光ファイバでの近赤外域の波長の光の伝搬強度の減衰度合を測定することで、ヘテロコア部の周囲の物質の屈折率や濃度等の特性を高感度に測定することが可能となる。
The optical fiber device described in
ところで、橋梁、トンネル等の公共インフラストラクチャーや、ビル等の建築施設では、海水や凍結防止剤等に含まれる塩化ナトリウムにより、コンクリートや鉄骨が劣化することが知られており、その管理のために塩化ナトリウムの付着量の経時的変化を捉える必要がある。 Incidentally, it is known that sodium chloride contained in seawater and antifreeze agents can cause deterioration of concrete and steel frames in public infrastructure such as bridges and tunnels, and in architectural facilities such as buildings, and it is necessary to capture changes in the amount of sodium chloride attached over time in order to manage these conditions.
従来、塩化ナトリウムの検出方法としては、塩化ナトリウム溶液の電気伝導度を測定する方法、光学的分光法、炎色反応法、原子吸光法等が知られている。 Conventional methods for detecting sodium chloride include measuring the electrical conductivity of a sodium chloride solution, optical spectroscopy, flame color reaction, and atomic absorption spectrometry.
しかし、前記検出方法はいずれも塩化ナトリウムを含む試料を対象物からサンプリングする必要があり、既存のインフラストラクチャーや、ビル等における塩化ナトリウムの付着量の経時的変化をその場(InSitu)で長期に亘って観測することができないという問題がある。 However, all of the above detection methods require sampling of a sample containing sodium chloride from the target object, and have the problem that it is not possible to observe the change in the amount of sodium chloride attached to existing infrastructure or buildings over time in situ over a long period of time.
前記問題を解決するために、本発明者らは、塩化ナトリウム等の塩の量をInSituで長期に亘って観測することができる塩センサ装置を提案している(特願2019-149024号明細書参照)。 To solve the above problem, the inventors have proposed a salt sensor device that can monitor the amount of salt, such as sodium chloride, in situ over a long period of time (see the specification of Japanese Patent Application No. 2019-149024).
前記塩センサ装置は、コア及びクラッドを有する光伝送部と、該光伝送部のコア及びクラッドに各々連なるコア及びクラッドを有するヘテロコア部とを備え、該ヘテロコア部のコアが該光伝送部のコアよりも小径である光ファイバを備え、該ヘテロコア部のクラッドの外周面に分散して固着された金属ナノ粒子層と、該金属ナノ粒子層を被覆する交互積層膜層とを備えている。前記塩センサ装置では、前記金属ナノ粒子層は1層のみであり、前記交互積層膜層は少なくとも各1層のポリカチオン膜とポリアニオン膜とが交互に積層している。 The salt sensor device includes an optical transmission section having a core and a clad, a heterocore section having a core and a clad respectively connected to the core and clad of the optical transmission section, an optical fiber having a core of the heterocore section having a smaller diameter than the core of the optical transmission section, a metal nanoparticle layer dispersed and fixed to the outer peripheral surface of the clad of the heterocore section, and an alternating laminated film layer covering the metal nanoparticle layer. In the salt sensor device, the metal nanoparticle layer is only one layer, and the alternating laminated film layer is formed by alternatingly laminating at least one layer each of a polycation film and a polyanion film.
前記塩センサ装置では、前記光伝送部のコアを介して光を伝送すると、前記ヘテロコア部でクラッドに漏れ出た光が該クラッドと外界との界面で全反射するときに、外界側にエバネッセント光がしみ出す。ここで、前記エバネッセント光が前記金属ナノ粒子層の金属ナノ粒子内の電子の集団振動と共鳴すると該エバネッセント光が吸収され、前記界面で全反射する反射光が減少するが、その減少の度合いは前記ポリイオン層の屈折率に依存する。 In the salt sensor device, when light is transmitted through the core of the optical transmission section, evanescent light seeps out to the outside world when the light leaking into the cladding in the heterocore section is totally reflected at the interface between the cladding and the outside world. Here, when the evanescent light resonates with the collective vibration of electrons in the metal nanoparticles of the metal nanoparticle layer, the evanescent light is absorbed and the reflected light totally reflected at the interface is reduced, but the degree of reduction depends on the refractive index of the polyion layer.
そこで、前記塩センサ装置によれば、前記ヘテロコア部のクラッドと外界との界面で全反射した光の減少の度合いを検出することにより、該ヘテロコア部の外界に存在する塩の濃度を知ることができる。 Therefore, the salt sensor device can detect the degree of reduction in the light totally reflected at the interface between the cladding of the heterocore portion and the outside world, thereby making it possible to know the concentration of salt present in the outside world of the heterocore portion.
しかしながら、塩の濃度に対する感度をさらに増加させることができる塩センサ装置の開発が望まれる。 However, it is desirable to develop a salt sensor device that can further increase sensitivity to salt concentration.
本発明は、かかる事情に鑑み、塩化ナトリウム等の塩の量をInSituで長期に亘って観測することができ、しかも塩の濃度に対する感度をさらに増加させることができる塩センサ装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention aims to provide a salt sensor device and a manufacturing method thereof that can monitor the amount of salt such as sodium chloride in situ over a long period of time and further increase the sensitivity to salt concentration.
かかる目的を達成するために、本発明の塩センサ装置は、コア及びクラッドを有する光伝送部と、該光伝送部のコア及びクラッドに各々連なるコア及びクラッドを有するヘテロコア部とを備え、該ヘテロコア部のコアが該光伝送部のコアよりも小径である光ファイバを備える塩センサ装置であって、該ヘテロコア部のクラッドの外周面に、複数の金属ナノ粒子層と、該金属ナノ粒子層を被覆する複数のポリイオン層とが交互に積層してなる無機-有機複合積層膜を備え、該ポリイオン層は、ビニルピロリドン-N,N-ジメチルアミノエチルメタクリル酸共重合体ジエチル硫酸塩、キトサン、ジエチルアミノエチルデキストラン、ジアリルアミン塩酸塩重合体、メチルジアリルアミン塩酸塩重合体、ジエチルアミノエチルセルロース、デキストラン塩化ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムエーテルからなる群から選択されるポリカチオン、または、ポリグルタミン酸及びその塩、カルボキシメチルデキストラン、カルボキシメチルセルロース、ヒアルロン酸及びその塩、アルギン酸及びその塩からなる群から選択されるポリアニオンからなることを特徴とする。 In order to achieve this object, the salt sensor device of the present invention is a salt sensor device comprising an optical fiber having a core and a clad, and a heterocore portion having a core and a clad respectively connected to the core and clad of the optical transmission portion, the core of the heterocore portion having a smaller diameter than the core of the optical transmission portion, and an inorganic-organic composite laminated film formed by alternately laminating a plurality of metal nanoparticle layers and a plurality of polyion layers covering the metal nanoparticle layers on the outer peripheral surface of the clad of the heterocore portion, the polyion layer being characterized in that it is made of a polycation selected from the group consisting of vinylpyrrolidone-N,N-dimethylaminoethyl methacrylic acid copolymer diethyl sulfate, chitosan, diethylaminoethyl dextran, diallylamine hydrochloride polymer, methyldiallylamine hydrochloride polymer, diethylaminoethyl cellulose, and dextran chloride hydroxypropyltrimethylammonium ether, or a polyanion selected from the group consisting of polyglutamic acid and salts thereof, carboxymethyl dextran, carboxymethyl cellulose, hyaluronic acid and salts thereof, and alginic acid and salts thereof .
尚、本発明の塩センサの検出対象となる「塩」とは、陽イオンと陰イオンとがイオン結合することにより生じた化合物を意味する。前記陽イオンの例としては、水素イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、カルシウムイオン等を挙げることができ、前記陰イオンの例としては、フッ化物イオン、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン等を挙げることができる。また、前記陽イオンと前記陰イオンとがイオン結合することにより生じた化合物としての「塩」の例としては、塩化ナトリウム、塩化カルシウム等を挙げることができる。 The "salt" detected by the salt sensor of the present invention means a compound formed by ionic bonding between a cation and an anion. Examples of the cation include hydrogen ions, sodium ions, potassium ions, calcium ions, etc., and examples of the anion include fluoride ions, chloride ions, bromide ions, iodide ions, sulfate ions, nitrate ions, etc. Examples of "salt" as a compound formed by ionic bonding between the cation and anion include sodium chloride and calcium chloride.
本発明の塩センサ装置では、特願2019-149024号明細書記載の塩センサ装置と同様に、前記光伝送部のコアを介して光を伝送すると、前記ヘテロコア部でクラッドに漏れ出た光が該クラッドと外界との界面で全反射するときに、外界側にしみ出したエバネッセント光が前記金属ナノ粒子層の金属ナノ粒子内の電子の集団振動と共鳴して該エバネッセント光が吸収され、前記界面で全反射する反射光が減少する。ここで、前記反射光の減少の度合いは前記ポリイオン層の屈折率に依存し、該ポリイオン層の屈折率は前記ヘテロコア部の外界に存在する塩の濃度により変化するので、本発明の塩センサ装置及び特願2019-149024号明細書記載の塩センサ装置は、いずれも、前記ヘテロコア部のクラッドと外界との界面で全反射した光の減少の度合いを検出することにより、該ヘテロコア部の外界に存在する塩の濃度を知ることができる。 In the salt sensor device of the present invention, similar to the salt sensor device described in Japanese Patent Application No. 2019-149024, when light is transmitted through the core of the light transmission section, when the light leaking into the clad in the heterocore section is totally reflected at the interface between the clad and the outside world, the evanescent light that has leaked out to the outside world resonates with the collective vibration of the electrons in the metal nanoparticles of the metal nanoparticle layer, and the evanescent light is absorbed, and the reflected light that is totally reflected at the interface is reduced. Here, the degree of reduction in the reflected light depends on the refractive index of the polyion layer, and the refractive index of the polyion layer changes depending on the concentration of salt present in the outside world of the heterocore section. Therefore, both the salt sensor device of the present invention and the salt sensor device described in Japanese Patent Application No. 2019-149024 can detect the degree of reduction in the light totally reflected at the interface between the clad of the heterocore section and the outside world, thereby knowing the concentration of salt present in the outside world of the heterocore section.
このとき、特願2019-149024号明細書記載の塩センサ装置では、前記ヘテロコア部のクラッドの外周面に1層の前記金属ナノ粒子層を備えるのみであるのに対し、本発明の塩センサ装置では、前記無機-有機複合積層膜として垂直方向に積層された複数の前記金属ナノ粒子層を備えており、特願2019-149024号明細書記載の塩センサ装置に比較して前記金属ナノ粒子の量が著しく増加している。そこで、本発明の塩センサ装置によれば、特願2019-149024号明細書記載の塩センサ装置に比較して、塩の濃度に対する感度をさらに増加させることができる。 In this case, the salt sensor device described in Japanese Patent Application No. 2019-149024 has only one metal nanoparticle layer on the outer peripheral surface of the clad of the heterocore portion, whereas the salt sensor device of the present invention has multiple metal nanoparticle layers stacked vertically as the inorganic-organic composite laminated film, and the amount of metal nanoparticles is significantly increased compared to the salt sensor device described in Japanese Patent Application No. 2019-149024. Therefore, according to the salt sensor device of the present invention, it is possible to further increase the sensitivity to salt concentration compared to the salt sensor device described in Japanese Patent Application No. 2019-149024.
本発明の塩センサ装置において、前記無機-有機複合積層膜は、特願2019-149024号明細書記載の塩センサ装置に比較して、塩の濃度に対する感度をさらに増加させるために2~2000層の前記金属ナノ粒子層と前記ポリイオン層とが交互に積層してなることが好ましい。 In the salt sensor device of the present invention, the inorganic-organic composite laminated film is preferably formed by alternately laminating 2 to 2,000 layers of the metal nanoparticle layers and the polyion layers in order to further increase the sensitivity to salt concentration compared to the salt sensor device described in Japanese Patent Application No. 2019-149024.
また、本発明の塩センサ装置において、前記金属ナノ粒子層を構成する金属ナノ粒子は、例えば、5~100nmの範囲の粒子径を備えることが好ましく、該金属ナノ粒子は金ナノ粒子であることが好ましい。 In addition, in the salt sensor device of the present invention, the metal nanoparticles constituting the metal nanoparticle layer preferably have a particle diameter in the range of, for example, 5 to 100 nm, and the metal nanoparticles are preferably gold nanoparticles.
本発明の塩センサ装置において、前記ポリイオン層がポリカチオン層である場合、該ポリカチオン層はプラスに荷電しており、対イオンとして陰イオンを有している。そこで、前記ヘテロコア部の外界に塩が存在すると、該塩を構成する陰イオンが前記ポリカチオン層に含まれる陰イオンとイオン交換し、また、塩の濃度によっては、該塩を構成する陰イオンが前記ポリカチオン層に浸透する。この結果、前記ポリカチオン層は、膨潤又は収縮して屈折率が変化する。 In the salt sensor device of the present invention, when the polyion layer is a polycation layer, the polycation layer is positively charged and has anions as counterions. When salt is present in the external environment of the heterocore portion, the anions constituting the salt undergo ion exchange with the anions contained in the polycation layer, and depending on the salt concentration, the anions constituting the salt penetrate into the polycation layer. As a result, the polycation layer swells or shrinks, changing the refractive index.
一方、本発明の塩センサ装置において、前記ポリイオン層がポリアニオン層である場合、該ポリアニオン層はマイナスに荷電しており、対イオンとして陽イオンを有している。そこで、前記ヘテロコア部の外界に塩が存在すると、該塩を構成する陽イオンが前記ポリカチオン層に含まれる陽イオンとイオン交換し、また、塩の濃度によっては、該塩を構成する陽イオンが前記ポリアニオン層に浸透する。この結果、前記ポリアニオン層は、膨潤又は収縮して屈折率が変化する。 On the other hand, in the salt sensor device of the present invention, when the polyion layer is a polyanion layer, the polyanion layer is negatively charged and has cations as counter ions. Therefore, when salt is present outside the heterocore portion, the cations constituting the salt undergo ion exchange with the cations contained in the polycation layer, and depending on the salt concentration, the cations constituting the salt penetrate into the polyanion layer. As a result, the polyanion layer swells or shrinks, changing the refractive index.
本発明の塩センサ装置の製造方法は、コア及びクラッドを有する光伝送部と、該光伝送部のコア及びクラッドに各々連なるコア及びクラッドを有するヘテロコア部とを備え、該ヘテロコア部のコアが該光伝送部のコアよりも小径である光ファイバを備える塩センサ装置の製造方法であって、該ヘテロコア部の外周面に、金属ナノ粒子層を形成した後、該金属ナノ粒子層上にポリイオン層を形成する操作を少なくとも2回繰り返し、複数の金属ナノ粒子層と、該金属ナノ粒子層を被覆するポリイオン層とが交互に積層してなる無機-有機複合積層膜を形成する工程を備え、該ポリイオン層は、ビニルピロリドン-N,N-ジメチルアミノエチルメタクリル酸共重合体ジエチル硫酸塩、キトサン、ジエチルアミノエチルデキストラン、ジアリルアミン塩酸塩重合体、メチルジアリルアミン塩酸塩重合体、ジエチルアミノエチルセルロース、デキストラン塩化ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムエーテルからなる群から選択されるポリカチオン、または、ポリグルタミン酸及びその塩、カルボキシメチルデキストラン、カルボキシメチルセルロース、ヒアルロン酸及びその塩、アルギン酸及びその塩からなる群から選択されるポリアニオンからなることを特徴とする。 The method for producing a salt sensor device of the present invention is a method for producing a salt sensor device comprising an optical fiber comprising a light transmission section having a core and a clad, and a heterocore section having a core and a clad respectively connected to the core and clad of the light transmission section, the core of the heterocore section having a smaller diameter than the core of the light transmission section, the method comprising the steps of forming a metal nanoparticle layer on the outer peripheral surface of the heterocore section, and then repeating an operation of forming a polyion layer on the metal nanoparticle layer at least twice to form an inorganic-organic composite laminated film in which a plurality of metal nanoparticle layers and a polyion layer covering the metal nanoparticle layer are alternately laminated, and is characterized in that it comprises a polycation selected from the group consisting of vinylpyrrolidone-N,N-dimethylaminoethyl methacrylic acid copolymer diethyl sulfate, chitosan, diethylaminoethyl dextran, diallylamine hydrochloride polymer, methyldiallylamine hydrochloride polymer, diethylaminoethyl cellulose, and dextran chloride hydroxypropyltrimethylammonium ether, or a polyanion selected from the group consisting of polyglutamic acid and salts thereof, carboxymethyl dextran, carboxymethyl cellulose, hyaluronic acid and salts thereof, and alginic acid and salts thereof .
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。 Next, an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
図1に示すように、本実施形態の塩センサ装置1は、光伝送部2,2の間に挟まれた所定長のヘテロコア部3を備える光ファイバ4を備える。光伝送部2は、コア5aと、コア5aの外周面を被覆するクラッド6aとからなるマルチモード光ファイバであり、ヘテロコア部3は、コア5aより小径のコア5bと、コア5bの外周面を被覆するクラッド6bとからなるシングルモード光ファイバである。
As shown in FIG. 1, the
塩センサ装置1は、ヘテロコア部3のクラッド6bの外周面に形成された無機-有機複合積層膜7を備えている。本実施形態では、無機-有機複合積層膜7は、複数の金属ナノ粒子層、例えば2~2000層の金属ナノ粒子層と、複数のポリイオン層、例えば2~2000層のポリイオン層とが交互に積層してなり、前記金属ナノ粒子層は5~100nmの範囲の粒子径を備える金属ナノ粒子からなる。前記ポリイオン層は、プラスに荷電したポリカチオン層であってもよく、マイナスに荷電したポリアニオン層であってもよい。
The
本実施形態の塩センサ装置1では、光伝送部2のコア5aを介して光を伝送すると、ヘテロコア部3でクラッド6bに漏れ出た光がクラッド6bと外界との界面で全反射するときに、外界側にエバネッセント光がしみ出し、該エバネッセント光が無機-有機複合積層膜7を構成する前記金属ナノ粒子層の金属ナノ粒子内の電子の集団振動と共鳴すると該エバネッセント光が吸収され、前記界面で全反射する反射光が減少する。ここで、前記反射光の減少の度合いは無機-有機複合積層膜7を構成するポリイオン層の屈折率に依存し、該屈折率はヘテロコア部の外界に存在する塩の濃度に対応して変化する。
In the
そこで、塩センサ装置1によれば、ヘテロコア部3のクラッド6bと外界との界面で全反射した光の減少の度合いを検出することにより、ヘテロコア部3の外界に存在する塩の濃度を知ることができる。
Therefore, with the
図2に示すように、本実施形態の塩センサ装置1は、例えば、橋梁、トンネル、ビル等のコンクリート21の内部に光ファイバ4のヘテロコア部3を埋設したときに、光ファイバ4の一方の端部にLED等の光源22を接続し、光ファイバ4の一方の端部に例えばスペクトルアナライザ等の検出装置23を接続する。また、検出装置23には、検出装置23で検出された反射光の減少度合いを解析するパソコン等の解析装置24を接続する。光源22、検出装置23、解析装置24は、ヘテロコア部3が埋設されている場所から離れた場所に配置することができる。
As shown in FIG. 2, in the
図2に示す塩センサ装置1によれば、光源22から照射される300~1000nmの範囲の波長、例えば425nmの波長の光が光伝送部2のコア5aに入射され、ヘテロコア部3のクラッド6bと外界との界面で全反射された反射光が光伝送部2のコア5aから出射し、検出装置23で受光される。図2に示す塩センサ装置1では、検出装置23で受光された反射光を解析装置24で解析することにより、その減少度合いからコンクリート21中の塩の濃度を検出することができる。
According to the
コンクリートやその内部の鉄骨は海水に含まれる塩化ナトリウムや、凍結防止剤に含まれる塩化カルシウムにより劣化することが知られているが、図2に示す塩センサ装置1によれば、コンクリート21中の塩化ナトリウムや塩化カルシウム等の塩の濃度をInSutiで検出することができるので、コンクリートやその内部の鉄骨の劣化を適切に管理することができる。
It is known that concrete and the steel frame inside it deteriorate due to sodium chloride contained in seawater and calcium chloride contained in antifreeze, but with the
塩センサ装置1は、例えば、次のようにして製造することができる。
The
まず、光ファイバ4のヘテロコア部3のクラッド6bを3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤を用いて処理して、クラッド6bの表面にアミノ基を導入する。次に、クラッド6bの表面にアミノ基が導入されたヘテロコア部3を純水中に浸漬し、アミノ基をプロトン化する。
First, the
次に、クラッド6bの表面に導入されたアミノ基がプロトン化されたヘテロコア部3を金属ナノ粒子懸濁液に浸漬する。このようにすると、プロトン化されたアミノ基の正電荷と、前記金属ナノ粒子表面の負電荷との相互作用により、クラッド6bの外周面に該金属ナノ粒子からなる金属ナノ粒子層を形成することができる。前記金属ナノ粒子懸濁液は、例えば、前記金属ナノ粒子が金ナノ粒子である場合には沸騰水中に所定濃度のクエン酸、クエン酸ナトリウム又はクエン酸カリウムと、所定濃度のテトラクロリド金(III)とを所定量ずつ添加し、撹拌することにより調製することができる。
Next, the
次に、クラッド6bの外周面に前記金属ナノ粒子層が形成されたヘテロコア部3を、所定濃度のポリイオン水溶液に所定時間浸漬した後、引き上げて洗浄することにより、前記金属ナノ粒子層の上に前記ポリイオン層を形成することができる。ヘテロコア部3を前記ポリイオン水溶液に浸漬した後の洗浄は、ヘテロコア部3を純水中に浸漬し、穏やかに動かすことにより行うことができる。尚、前記ポリイオン層がポリカチオン層である場合には前記ポリイオン水溶液はポリカチオン水溶液であり、前記ポリイオン層がポリアニオン層である場合には前記ポリイオン水溶液はポリアニオン水溶液である。
Next, the
前記ポリカチオン水溶液に用いるポリカチオンとしては、ビニルピロリドン-N,N-ジメチルアミノエチルメタクリル酸共重合体ジエチル硫酸塩、キトサン、ジエチルアミノエチルデキストラン、ジアリルアミン塩酸塩重合体、メチルジアリルアミン塩酸塩重合体、ジエチルアミノエチルセルロース、デキストラン塩化ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムエーテルからなる群から選択されるポリカチオンを挙げることができる。 Examples of the polycation used in the polycation aqueous solution include polycations selected from the group consisting of vinylpyrrolidone-N,N-dimethylaminoethyl methacrylic acid copolymer diethyl sulfate, chitosan, diethylaminoethyl dextran, diallylamine hydrochloride polymer, methyldiallylamine hydrochloride polymer, diethylaminoethyl cellulose, and dextran chloride hydroxypropyltrimethylammonium ether .
前記ポリカチオン水溶液により形成される前記ポリカチオン層は、対イオンとして陰イオンを有しており、ヘテロコア部3の外界に塩が存在すると、該塩を構成する陰イオンが該ポリカチオン層に含まれる陰イオンとイオン交換し、また、塩の濃度によっては、該塩を構成する陰イオンが前記ポリカチオン層に浸透して、該ポリカチオン層が膨潤又は収縮することによりその屈折率が変化する。従って、本実施形態の塩センサ装置1を塩化ナトリウムの検出に用いる場合、前記対イオンの陰イオンは塩化物イオン以外であることが好ましく、前記ポリカチオン層は、該対イオンとして塩化物イオンを含まないことが好ましい。
The polycation layer formed by the polycation aqueous solution has anions as counter ions, and when salt is present in the external environment of the
一方、前記ポリアニオン水溶液に用いるポリアニオンとしては、ポリグルタミン酸及びその塩、カルボキシメチルデキストラン、カルボキシメチルセルロース、ヒアルロン酸及びその塩、アルギン酸及びその塩からなる群から選択されるポリアニオンを挙げることができる。 On the other hand, examples of the polyanion used in the polyanion aqueous solution include polyanions selected from the group consisting of polyglutamic acid and its salts, carboxymethyldextran, carboxymethylcellulose, hyaluronic acid and its salts, and alginic acid and its salts .
前記ポリアニオン水溶液により形成される前記ポリアニオン層は、対イオンとして陽イオンを有しており、ヘテロコア部3の外界に塩が存在すると、該塩を構成する陽イオンが該ポリアニオン層に含まれる陽イオンとイオン交換し、また、塩の濃度によっては、該塩を構成する陽イオンが前記ポリアニオン層に浸透して、該ポリアニオン層が膨潤又は収縮することによりその屈折率が変化する。従って、本実施形態の塩センサ装置1を塩化ナトリウムの検出に用いる場合、前記対イオンの陽イオンはナトリウムイオン以外であることが好ましく、前記ポリアニオン層は、該対イオンとしてナトリウムイオンを含まないことが好ましい。
本実施形態の塩センサ装置1の製造方法では、前記金属ナノ粒子層を形成する操作と、前記ポリイオン層を形成する操作とを、2~2000回繰り返すことにより、2~2000層の金属ナノ粒子層と、2~2000層のポリイオン層とが1層ずつ交互に積層してなる前記無機-有機複合積層膜7を形成することができる。
The polyanion layer formed by the polyanion aqueous solution has cations as counter ions, and when salt is present in the external environment of the
In the manufacturing method of the
次に実施例及び比較例を示す。 The following are examples and comparative examples.
〔実施例〕
本実施例では、まず、蒸留水100ミリリットルを沸騰させ、これに1質量%のクエン酸水溶液1ミリリットルと、1質量%のテトラクロリド金(III)酸水溶液1ミリリットルとを加え、沸騰状態のまま15分間撹拌することにより、金ナノ粒子懸濁液を調製した。前記金ナノ粒子懸濁液は、5~100nmの範囲の粒子径で表面に負電荷を有する金ナノ粒子を含んでいる。
[Example]
In this example, 100 ml of distilled water was first boiled, and 1 ml of a 1% by mass aqueous solution of citric acid and 1 ml of a 1% by mass aqueous solution of tetrachloroauric acid (III) were added thereto, followed by stirring for 15 minutes while still boiling to prepare a gold nanoparticle suspension. The gold nanoparticle suspension contains gold nanoparticles with particle diameters ranging from 5 to 100 nm and negatively charged surfaces.
次に、1質量%の酢酸水溶液50ミリリットルを40℃の温度に加熱し、シランカップリング剤としての3-アミノプロピルトリメトキシシラン0.5ミリリットルを加え、ゆるやかに撹拌しながら、光ファイバ4の該ヘテロコア部を2分間浸漬した。次に、前記ヘテロコア部3を110℃の温度で2時間加熱し、該ヘテロコア部3のクラッド6bの表面にアミノ基を導入した。
Next, 50 milliliters of a 1% by mass aqueous solution of acetic acid was heated to a temperature of 40°C, 0.5 milliliters of 3-aminopropyltrimethoxysilane as a silane coupling agent was added, and the heterocore portion of the
次に、クラッド6bの表面にアミノ基が導入されたヘテロコア部3を純水中に浸漬し、アミノ基をプロトン化した。
Next, the
次に、クラッド6bの表面に導入されたアミノ基がプロトン化されたヘテロコア部3を、本実施例で調製した前記金ナノ粒子懸濁液に浸漬し、クラッド6bの外周面に金ナノ粒子層を形成した。
Next, the
次に、クラッド6bの外周面に前記金ナノ粒子層が形成されたヘテロコア部3を、ポリカチオン水溶液としての20ミリモル/リットルの範囲の濃度のビニルピロリドン-N,N-ジメチルアミノエチルメタクリル酸共重合体ジエチル硫酸塩水溶液に浸漬し、引き上げて純水で洗浄して、前記金ナノ粒子層上にポリカチオン層を形成した。
Next, the
本実施例では、前記金ナノ粒子層を形成する操作と、前記ポリカチオン層を形成する操作とを、5回繰り返すことにより、5層の金ナノ粒子層と、5層のポリカチオン層とが1層ずつ交互に積層してなる無機-有機複合積層膜7を形成し、図1に示す塩センサ装置1を得た。
In this example, the operation of forming the gold nanoparticle layer and the operation of forming the polycation layer were repeated five times to form an inorganic-organic composite laminated film 7 in which five gold nanoparticle layers and five polycation layers were alternately laminated one by one, thereby obtaining the
次に、図1に示す塩センサ装置1において、クラッド6bの外周面に無機-有機複合積層膜7を備えるヘテロコア部3を、図2に示すコンクリート29に埋設する代わりに、図3に示すように容器25に収容された蒸留水26中に浸漬した。次に、蒸留水26に順次所定濃度の塩化ナトリウム水溶液を添加して蒸留水26を塩化ナトリウム水溶液とする一方、その濃度を変量した。
Next, in the
次に、所定濃度の塩化ナトリウム水溶液を添加してから5分後の各濃度の前記塩化ナトリウム水溶液に浸漬されているヘテロコア部3に対し、光源22から照射される425nmの波長の光を光伝送部2のコア5aに入射し、ヘテロコア部3のクラッド6bと外界との界面で全反射された反射光を光伝送部2のコア5aから出射させ、検出装置23で受光された反射光を解析装置24で解析した。
Next, 5 minutes after adding the sodium chloride aqueous solution of a predetermined concentration, light with a wavelength of 425 nm was irradiated from the
次に、前記塩化ナトリウム水溶液の濃度ごとの、ヘテロコア部3が空気中にある場合の伝搬光(反射光)強度に対する、ヘテロコア部3が塩化ナトリウム水溶液に浸漬されているときの伝搬光(反射光)強度の損失(以下、「伝搬光強度の損失」と略記する)を次式(1)により算出した。結果を表1及び図4に示す。
Next, the loss in the intensity of the propagated light (reflected light) when the
尚、表1において、実施例及び比較例の数値は、伝搬光強度の損失(dB)である。また、図4では、前記伝搬光強度の損失を、「NaCl添加から5分後の伝搬光強度(dB)として示す。 In Table 1, the values for the examples and comparative examples are the loss of propagation light intensity (dB). In Figure 4, the loss of propagation light intensity is shown as "Propagation light intensity (dB) 5 minutes after addition of NaCl."
伝搬光強度の損失(dB)=10×log10(ヘテロコア部3が塩化ナトリウム水溶液26に浸漬されているときの伝播光強度/ヘテロコア部3が空気中にある場合の伝播光強度) ・・・(1)
〔比較例〕
本比較例では、まず、蒸留水100ミリリットルを沸騰させ、これに1質量%のクエン酸水溶液1ミリリットルと、1質量%のテトラクロリド金(III)酸水溶液1ミリリットルとを加え、沸騰状態のまま15分間撹拌することにより、金ナノ粒子懸濁液を調製した。前記金ナノ粒子懸濁液は、5~100nmの範囲の粒子径で表面に負電荷を有する金ナノ粒子を含んでいる。
Loss of propagation light intensity (dB)=10×log 10 (propagation light intensity when the
Comparative Example
In this comparative example, 100 ml of distilled water was first boiled, and 1 ml of a 1% by mass aqueous solution of citric acid and 1 ml of a 1% by mass aqueous solution of tetrachloroauric acid (III) were added thereto, followed by stirring for 15 minutes while still boiling to prepare a gold nanoparticle suspension. The gold nanoparticle suspension contains gold nanoparticles with particle diameters ranging from 5 to 100 nm and negatively charged surfaces.
次に、1質量%の酢酸水溶液50ミリリットルを40℃の温度に加熱し、シランカップリング剤としての3-アミノプロピルトリメトキシシラン0.5ミリリットルを加え、ゆるやかに撹拌しながら、光ファイバ4の該ヘテロコア部を2分間浸漬した。次に、前記ヘテロコア部3を110℃の温度で2時間加熱し、該ヘテロコア部3のクラッド6bの表面にアミノ基を導入した。
Next, 50 milliliters of a 1% by mass aqueous solution of acetic acid was heated to a temperature of 40°C, 0.5 milliliters of 3-aminopropyltrimethoxysilane as a silane coupling agent was added, and the heterocore portion of the
次に、クラッド6bの表面にアミノ基が導入されたヘテロコア部3を純水中に浸漬し、アミノ基をプロトン化した。
Next, the
次に、クラッド6bの表面に導入されたアミノ基がプロトン化されたヘテロコア部3を、本比較例で調製した前記金ナノ粒子懸濁液に浸漬し、クラッド6bの外周面に金ナノ粒子層を形成した。
Next, the
次に、クラッド6bの外周面に金ナノ粒子層が形成されたヘテロコア部3を、ポリカチオン水溶液としての20ミリモル/リットルの範囲の濃度のビニルピロリドン-N,N-ジメチルアミノエチルメタクリル酸共重合体ジエチル硫酸塩水溶液に浸漬し、引き上げて純水で洗浄した後、ポリアニオン水溶液としての20ミリモル/リットルの範囲の濃度のポリビニル硫酸カリウム水溶液に浸漬し、引き上げて純水で洗浄する操作を20回繰り返し、20層のポリカチオン層と、20層のポリアニオン層とが交互に積層してなる交互積層膜を形成した。この結果、クラッド6bの外周面に1層のみの金ナノ粒子層と、該金ナノ粒子層を被覆する前記交互積層膜とを備える塩センサ装置を得た。
Next, the
次に、本比較例で得られた前記塩センサ装置を用いた以外は、前記実施例と全く同一にして、前記塩化ナトリウム水溶液の濃度ごとの伝搬光強度の損失を算出した。結果を表1及び図4に示す。 Next, the loss in the transmitted light intensity for each concentration of the sodium chloride aqueous solution was calculated in exactly the same manner as in the above example, except that the salt sensor device obtained in this comparative example was used. The results are shown in Table 1 and Figure 4.
表1に示す数値から、伝搬光強度の損失の最大値と最小値との差で示される変化幅を算出した。前記変化幅は、実施例では、
(-2.214)-(-2.6286)=0.4146(dB)
であり、比較例では、
(-2.0395)-(-2.3113)=0.2718(dB)
である。
From the values shown in Table 1, the variation width indicated by the difference between the maximum and minimum values of the loss in the propagation light intensity was calculated.
(-2.214)-(-2.6286)=0.4146(dB)
In the comparative example,
(-2.0395)-(-2.3113)=0.2718(dB)
It is.
従って、実施例の塩センサ装置1は、比較例の塩センサ装置に対し、感度が0.4146/0.2718=1.53(倍)に増加していることが明らかである。
Therefore, it is clear that the sensitivity of the
1…塩センサ装置、 2…光伝送部、 3…ヘテロコア部、 4…光ファイバ、 5a、5b…コア、 6a、6b…クラッド、 7…無機-有機複合積層膜。 1...salt sensor device, 2...light transmission section, 3...heterocore section, 4...optical fiber, 5a, 5b...core, 6a, 6b...clad, 7...inorganic-organic composite laminated film.
Claims (5)
該ヘテロコア部のクラッドの外周面に、複数の金属ナノ粒子層と、該金属ナノ粒子層を被覆する複数のポリイオン層とが交互に積層してなる無機-有機複合積層膜を備え、
該ポリイオン層は、ビニルピロリドン-N,N-ジメチルアミノエチルメタクリル酸共重合体ジエチル硫酸塩、キトサン、ジエチルアミノエチルデキストラン、ジアリルアミン塩酸塩重合体、メチルジアリルアミン塩酸塩重合体、ジエチルアミノエチルセルロース、デキストラン塩化ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムエーテルからなる群から選択されるポリカチオン、または、ポリグルタミン酸及びその塩、カルボキシメチルデキストラン、カルボキシメチルセルロース、ヒアルロン酸及びその塩、アルギン酸及びその塩からなる群から選択されるポリアニオンからなることを特徴とする塩センサ装置。 A salt sensor device comprising an optical fiber including a light transmitting section having a core and a clad, and a hetero core section having a core and a clad respectively connected to the core and the clad of the light transmitting section, the core of the hetero core section having a smaller diameter than the core of the light transmitting section,
a plurality of metal nanoparticle layers and a plurality of polyion layers covering the metal nanoparticle layers are alternately laminated on an outer peripheral surface of the clad of the heterocore portion ,
The polyion layer is made of a polycation selected from the group consisting of vinylpyrrolidone-N,N-dimethylaminoethyl methacrylic acid copolymer diethyl sulfate, chitosan, diethylaminoethyl dextran, diallylamine hydrochloride polymer, methyldiallylamine hydrochloride polymer, diethylaminoethyl cellulose, and dextran chloride hydroxypropyltrimethylammonium ether, or a polyanion selected from the group consisting of polyglutamic acid and its salts, carboxymethyl dextran, carboxymethyl cellulose, hyaluronic acid and its salts, and alginic acid and its salts.
該ヘテロコア部の外周面に、金属ナノ粒子層を形成した後、該金属ナノ粒子層上にポリイオン層を形成する操作を少なくとも2回繰り返し、複数の金属ナノ粒子層と、該金属ナノ粒子層を被覆するポリイオン層とが交互に積層してなる無機-有機複合積層膜を形成する工程を備え、
該ポリイオン層は、ビニルピロリドン-N,N-ジメチルアミノエチルメタクリル酸共重合体ジエチル硫酸塩、キトサン、ジエチルアミノエチルデキストラン、ジアリルアミン塩酸塩重合体、メチルジアリルアミン塩酸塩重合体、ジエチルアミノエチルセルロース、デキストラン塩化ヒドロキシプロピルトリメチルアンモニウムエーテルからなる群から選択されるポリカチオン、または、ポリグルタミン酸及びその塩、カルボキシメチルデキストラン、カルボキシメチルセルロース、ヒアルロン酸及びその塩、アルギン酸及びその塩からなる群から選択されるポリアニオンからなることを特徴とする塩センサ装置の製造方法。 A method for manufacturing a salt sensor device comprising an optical fiber including a light transmitting section having a core and a clad, and a hetero core section having a core and a clad respectively connected to the core and the clad of the light transmitting section, the core of the hetero core section having a smaller diameter than the core of the light transmitting section,
a step of forming a metal nanoparticle layer on the outer peripheral surface of the heterocore portion, and then repeating an operation of forming a polyion layer on the metal nanoparticle layer at least twice to form an inorganic-organic composite laminated film in which a plurality of metal nanoparticle layers and polyion layers covering the metal nanoparticle layers are alternately laminated ,
The method for manufacturing a salt sensor device is characterized in that the polyion layer is made of a polycation selected from the group consisting of vinylpyrrolidone-N,N-dimethylaminoethyl methacrylic acid copolymer diethyl sulfate, chitosan, diethylaminoethyl dextran, diallylamine hydrochloride polymer, methyldiallylamine hydrochloride polymer, diethylaminoethyl cellulose, and dextran chloride hydroxypropyltrimethylammonium ether, or a polyanion selected from the group consisting of polyglutamic acid and its salts, carboxymethyl dextran, carboxymethyl cellulose, hyaluronic acid and its salts, and alginic acid and its salts .
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