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JP7041921B2 - Reflective structure and optical analyzer using reflective structure - Google Patents

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JP7041921B2
JP7041921B2 JP2018056995A JP2018056995A JP7041921B2 JP 7041921 B2 JP7041921 B2 JP 7041921B2 JP 2018056995 A JP2018056995 A JP 2018056995A JP 2018056995 A JP2018056995 A JP 2018056995A JP 7041921 B2 JP7041921 B2 JP 7041921B2
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reflective
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reflective structure
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理宏 今橋
茂 中尾
喜明 西島
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New Cosmos Electric Co Ltd
Yokohama National University NUC
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New Cosmos Electric Co Ltd
Yokohama National University NUC
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Description

本発明は、反射構造体および反射構造体を用いた光分析装置に関する。 The present invention relates to a reflective structure and an optical analyzer using the reflective structure.

従来、雰囲気ガス中の検知対象ガスなどの検知対象物を検知するための光分析装置に、たとえば特許文献1に開示されるような非分散型赤外線分析(NDIR)式ガスセンサが用いられている。NDIR式ガスセンサは、検知対象ガスが特定波長の赤外線を吸収する特性を利用して、検知対象ガスを通過した特定波長の赤外線の吸収強度を測定することにより、検知対象ガスを検知する。 Conventionally, a non-dispersive infrared analysis (NDIR) type gas sensor as disclosed in Patent Document 1, for example, has been used as an optical analyzer for detecting an object to be detected such as a gas to be detected in an atmospheric gas. The NDIR type gas sensor detects the detection target gas by measuring the absorption intensity of the infrared rays of the specific wavelength that has passed through the detection target gas by utilizing the characteristic that the detection target gas absorbs the infrared rays of the specific wavelength.

NDIR式ガスセンサでは、検知対象ガスの吸収強度を増加させるために、赤外線の光路長をできるだけ長く確保して、検知対象ガスによる赤外線の吸収量を多くする必要がある。しかし、赤外線の光路長を長くすることでセンサが大型化するという問題が生じる。そのような問題を解決するために、たとえば、特許文献2に示されるように、測定セル内に複数の反射鏡を配置して、赤外線の複数回の反射を利用することで、センサの大型化を抑制しながら、赤外線の光路長を長く確保することが提案されている。 In the NDIR type gas sensor, in order to increase the absorption intensity of the detection target gas, it is necessary to secure the optical path length of the infrared rays as long as possible and increase the amount of infrared rays absorbed by the detection target gas. However, increasing the optical path length of infrared rays causes a problem that the sensor becomes large. In order to solve such a problem, for example, as shown in Patent Document 2, a plurality of reflecting mirrors are arranged in a measurement cell to utilize multiple reflections of infrared rays, thereby increasing the size of the sensor. It has been proposed to secure a long infrared optical path length while suppressing the above.

特開2015-219101号公報JP-A-2015-219101 特開2014-238307号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-238307

ところが、NDIR式ガスセンサに限らず、赤外分光装置やラマン分光装置など、光吸収を利用する光分析装置において、光路に反射鏡を用いる場合、反射鏡の焦点位置の正確な位置決めが難しいため、光路を通過する光の全体を受光することが難しく、その結果として、測定される光の吸収強度が小さくなる。また、反射鏡による集光の難しさに加え、反射鏡自体での光吸収による反射のロスも生じる可能性があり、その場合にも測定される光の強度が小さくなる。さらに、光分析装置の筐体の制約から、反射鏡の配置にも制約が生じるため、反射鏡の数を増やして反射回数を増加させて、光路長を延長するのにも限界がある。したがって、光分析装置においては、最低限の反射鏡を用いて光路長を延長しつつ、光の吸収強度を増加させることが求められる。 However, when a reflector is used for the optical path in an optical analyzer that uses light absorption, such as an infrared spectroscope and a Raman spectroscope, not limited to the NDIR type gas sensor, it is difficult to accurately position the focal position of the reflector. It is difficult to receive the entire light passing through the optical path, and as a result, the absorption intensity of the measured light is reduced. Further, in addition to the difficulty of condensing light by the reflecting mirror, there is a possibility that reflection loss due to light absorption by the reflecting mirror itself may occur, and even in that case, the measured light intensity becomes small. Further, since the arrangement of the reflecting mirrors is also restricted due to the limitation of the housing of the optical analyzer, there is a limit to increasing the number of reflecting mirrors to increase the number of reflections and extending the optical path length. Therefore, in the optical analyzer, it is required to increase the light absorption intensity while extending the optical path length by using the minimum reflecting mirror.

本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、光の吸収強度を増加させることが可能な反射構造体およびその反射構造体を用いた光分析装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a reflective structure capable of increasing the absorption intensity of light and an optical analyzer using the reflective structure.

本発明の反射構造体は、光を反射する反射構造体であって、金により形成される反射面を有する本体と、光が照射されたときに局在表面プラズモン共鳴が生じるように前記本体の反射面上に設けられる金ナノ粒子とを備えることを特徴とする。 The reflective structure of the present invention is a reflective structure that reflects light, and has a main body having a reflective surface formed of gold and the main body so that localized surface plasmon resonance occurs when irradiated with light. It is characterized by having gold nanoparticles provided on the reflective surface.

また、前記金ナノ粒子が、リンカーを介して前記反射面に連結されていることが好ましい。 Further, it is preferable that the gold nanoparticles are connected to the reflective surface via a linker.

また、前記金ナノ粒子が、自己組織化により形成されるリンカーを介して前記反射面に連結されていることが好ましい。 Further, it is preferable that the gold nanoparticles are connected to the reflective surface via a linker formed by self-assembly.

また、前記金ナノ粒子が、ロッド状に形成されていることが好ましい。 Further, it is preferable that the gold nanoparticles are formed in a rod shape.

本発明の光分析装置は、前記反射構造体を用いた光分析装置であることを特徴とする。 The optical analyzer of the present invention is characterized by being an optical analyzer using the reflection structure.

また、中赤外領域の赤外線を用いることが好ましい。 Further, it is preferable to use infrared rays in the mid-infrared region.

本発明によれば、光の吸収強度を増加させることが可能な反射構造体およびその反射構造体を用いた光分析装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a reflective structure capable of increasing the absorption intensity of light and an optical analyzer using the reflective structure.

本発明の一実施形態に係る光分析装置の構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the optical analyzer which concerns on one Embodiment of this invention. 図1の光分析装置で用いられる反射構造体の概略図である。It is a schematic diagram of the reflection structure used in the optical analyzer of FIG.

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係る反射構造体およびその反射構造体を用いた光分析装置を説明する。ただし、以下に示す実施形態は一例であり、本発明の反射構造体および光分析装置は、以下の例に限定されることはない。 Hereinafter, a reflective structure according to an embodiment of the present invention and an optical analyzer using the reflective structure will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiment shown below is an example, and the reflective structure and the optical analyzer of the present invention are not limited to the following examples.

本実施形態の反射構造体は、光を反射するために用いられる。本実施形態の反射構造体は、たとえば、光分析装置に用いることができる。以下では、反射構造体を、光分析装置、特に非分散型赤外線分析(NDIR)式ガスセンサを用いたガス検知器に適用した例を挙げて説明する。ただし、本発明の反射構造体は、光分析装置に限らず、光を反射することが必要な他の用途にも適用可能である。 The reflective structure of this embodiment is used to reflect light. The reflective structure of the present embodiment can be used, for example, in an optical analyzer. In the following, an example of applying the reflection structure to a gas detector using an optical analyzer, particularly a non-dispersive infrared analysis (NDIR) type gas sensor will be described. However, the reflective structure of the present invention is not limited to the optical analyzer, and can be applied to other applications that need to reflect light.

光分析装置は、光を利用して検知対象物を検知するために用いられる装置である。光分析装置1は、図1に示されるように、光源2と、光源2からの光Lを反射する反射構造体3とを備えている。光分析装置1は、光源2から放射される光Lが、反射構造体3により反射されて伝搬する過程において、検知対象物と相互作用することによって生じる光Lの変化や新たに生じる光を検出することにより、検知対象物を検知する。光分析装置1は、本実施形態では、非分散型赤外線分析(NDIR)式ガスセンサNを用いたガス検知器である。以下では、このガス検知器1を例に挙げて、本発明の光分析装置を説明する。ただし、本発明の光分析装置は、NDIR式ガスセンサを用いたガス検知器に限定されることはなく、たとえば赤外分光装置やラマン分光装置など、光を利用して検知対象物を検知する他の光分析装置であってもよい。 The optical analyzer is a device used to detect an object to be detected by using light. As shown in FIG. 1, the optical analyzer 1 includes a light source 2 and a reflection structure 3 that reflects light L from the light source 2. The optical analyzer 1 detects changes in the light L caused by interacting with the detection target and newly generated light in the process in which the light L emitted from the light source 2 is reflected by the reflection structure 3 and propagates. By doing so, the object to be detected is detected. In the present embodiment, the optical analyzer 1 is a gas detector using a non-dispersive infrared analysis (NDIR) type gas sensor N. Hereinafter, the optical analyzer of the present invention will be described by taking the gas detector 1 as an example. However, the optical analyzer of the present invention is not limited to the gas detector using the NDIR type gas sensor, and detects an object to be detected by using light such as an infrared spectroscope and a Raman spectroscope. It may be an optical analyzer of.

光分析装置であるガス検知器1は、検知対象物である検知対象ガスを検知するために用いられる。ガス検知器1は、図1に示されるように、検知対象ガスを検知する非分散型赤外線分析(NDIR)式ガスセンサNを備えている。ガス検知器1はさらに、任意で、NDIR式ガスセンサNを操作するための操作部C(たとえば操作ボタンなど)と、NDIR式ガスセンサNにより得られる検知結果を表示する表示部D(たとえば液晶ディスプレイなど)とを備えている。ガス検知器1は、内部バッテリまたは外部電源などの図示しない電源から電力が供給されて作動する。 The gas detector 1 which is an optical analyzer is used to detect a detection target gas which is a detection target object. As shown in FIG. 1, the gas detector 1 includes a non-dispersive infrared analysis (NDIR) type gas sensor N that detects a gas to be detected. The gas detector 1 further optionally has an operation unit C (for example, an operation button) for operating the NDIR type gas sensor N and a display unit D (for example, a liquid crystal display) for displaying the detection result obtained by the NDIR type gas sensor N. ) And. The gas detector 1 operates by being supplied with electric power from a power source (not shown) such as an internal battery or an external power source.

ガス検知器1の検知対象ガスは、ガス検知器1により検知対象となるガスである。検知対象ガスとしては、たとえば、メタン、ブタン、イソブタン、水、アンモニア、二酸化硫黄、三酸化硫黄、硫化水素、亜酸化窒素、アセトン、オゾン、六フッ化硫黄、オクタフルオロシクロペンテン、ヘキサフルオロ1、3ブタジエンなど、赤外線の波長領域において吸収ピークを有するガスが例示される。ただし、本発明の光分析装置の検知対象物としては、赤外線の波長領域において吸収ピークを有するガスに限定されることはなく、紫外線や可視光線の波長領域など、他の波長領域に吸収特性を有する物質であってもよい。 The detection target gas of the gas detector 1 is a gas to be detected by the gas detector 1. Examples of the gas to be detected include methane, butane, isobutane, water, ammonia, sulfur dioxide, sulfur trioxide, hydrogen sulfide, nitrogen sulfite, acetone, ozone, sulfur hexafluoride, octafluorocyclopentene, hexafluoro 1, and 3. Gases having an absorption peak in the infrared wavelength region, such as butadiene, are exemplified. However, the detection target of the optical analyzer of the present invention is not limited to the gas having an absorption peak in the wavelength region of infrared rays, and the absorption characteristics are exhibited in other wavelength regions such as the wavelength region of ultraviolet rays and visible light. It may be a substance having.

NDIR式ガスセンサNは、赤外線を検知対象ガスに照射して、検知対象ガスによって吸収された赤外線の吸収強度(減衰強度)を測定することで、検知対象ガスを検知する。NDIR式ガスセンサNは、本実施形態では、図1に示されるように、内部空間Sを有する筐体Hと、筐体Hの内部に光Lを放射する光源2と、光源2からの光Lを反射する反射構造体3と、光Lを検出する光検出部4と、光源2および光検出部4を制御する回路部5とを備えている。NDIR式ガスセンサNは、光源2、反射構造体3、光検出部4および回路部5が筐体Hに一体となって設けられ、単体として取扱い可能なモジュールを形成している。しかし、NDIR式ガスセンサNは、たとえば回路部5が筐体Hとは別に設けられてもよく、その構成は図示された例に限定されない。 The NDIR type gas sensor N detects the detection target gas by irradiating the detection target gas with infrared rays and measuring the absorption intensity (attenuation intensity) of the infrared rays absorbed by the detection target gas. In the present embodiment, the NDIR type gas sensor N has a housing H having an internal space S, a light source 2 that radiates light L inside the housing H, and light L from the light source 2, as shown in FIG. It includes a reflection structure 3 that reflects light, a light detection unit 4 that detects light L, and a circuit unit 5 that controls a light source 2 and a light detection unit 4. In the NDIR type gas sensor N, the light source 2, the reflection structure 3, the light detection unit 4, and the circuit unit 5 are integrally provided in the housing H to form a module that can be handled as a single unit. However, in the NDIR type gas sensor N, for example, the circuit unit 5 may be provided separately from the housing H, and the configuration thereof is not limited to the illustrated example.

筐体Hは、内部空間Sに検知対象ガスが供給される部材である。筐体Hは、図1に示されるように、上下(図1中、紙面表裏方向)の両端が閉じた略円筒状に形成され、その内部に内部空間Sが設けられる。また、筐体Hは、内部空間S内に検知対象ガスを導入するガス導入部(図示せず)と、内部空間Sから検知対象ガスを排出するガス排出部(図示せず)とを備えている。筐体Hでは、ガス導入部から検知対象ガスが導入されて、内部空間S内に検知対象ガスが供給されて、ガス排出部から検知対象ガスが排出される。筐体Hは、特に限定されることはなく、たとえば樹脂材料などにより形成される。筐体Hは、本実施形態では略円筒状に形成されているが、略直方体形状など他の形状に形成されてもよい。 The housing H is a member to which the detection target gas is supplied to the internal space S. As shown in FIG. 1, the housing H is formed in a substantially cylindrical shape in which both upper and lower ends (in the front and back directions of the paper surface in FIG. 1) are closed, and an internal space S is provided inside the housing H. Further, the housing H includes a gas introduction unit (not shown) that introduces the detection target gas into the internal space S, and a gas discharge unit (not shown) that discharges the detection target gas from the internal space S. There is. In the housing H, the detection target gas is introduced from the gas introduction unit, the detection target gas is supplied into the internal space S, and the detection target gas is discharged from the gas discharge unit. The housing H is not particularly limited, and is formed of, for example, a resin material. Although the housing H is formed in a substantially cylindrical shape in the present embodiment, it may be formed in another shape such as a substantially rectangular parallelepiped shape.

光源2は、検知対象物を検知するために利用可能な光を放射する。光源2は、本実施形態では、検知対象物である検知対象ガスによって吸収される波長の光(たとえば検知対象ガスの分子振動が励起されるエネルギーを有する光)を放射する。光源2により放射される光は、少なくとも検知対象ガスの吸収スペクトルにおける吸収ピークの波長を有する光を含んでいればよく、その波長の単色光であっても、その波長を含む広い波長範囲の光であってもよい。たとえば、メタン、ブタンなどの可燃性ガスを検知対象ガスとする場合、これらの可燃性ガスは中赤外領域の波長(たとえば2.5~4μm)に吸収ピークを有しているので、これらの可燃性ガスを検知する場合には、中赤外領域の赤外線が用いられる。光源2は、図1に示されるように、回路部5に通信可能に接続されて、回路部5によってその出力が制御される。光源2としては、たとえば、発光ダイオード(LED)や赤外線ランプを採用することができる。光源2は、たとえば、連続光やパルス光を放射する。光源2は、本実施形態では赤外線を放射するように構成されているが、検知対象物を検知するのに必要な波長の光を放射することができればよく、赤外線だけでなく可視領域や紫外線領域など他の波長の光を放射するように構成されてもよい。 The light source 2 emits light that can be used to detect the object to be detected. In the present embodiment, the light source 2 emits light having a wavelength absorbed by the detection target gas, which is the detection target (for example, light having energy that excites the molecular vibration of the detection target gas). The light emitted by the light source 2 may include at least light having an absorption peak wavelength in the absorption spectrum of the detection target gas, and even monochromatic light having that wavelength is light in a wide wavelength range including that wavelength. May be. For example, when flammable gases such as methane and butane are used as detection target gases, these flammable gases have absorption peaks at wavelengths in the mid-infrared region (for example, 2.5 to 4 μm). When detecting flammable gas, infrared rays in the mid-infrared region are used. As shown in FIG. 1, the light source 2 is communicably connected to the circuit unit 5, and its output is controlled by the circuit unit 5. As the light source 2, for example, a light emitting diode (LED) or an infrared lamp can be adopted. The light source 2 emits, for example, continuous light or pulsed light. Although the light source 2 is configured to radiate infrared rays in the present embodiment, it suffices if it can radiate light having a wavelength necessary for detecting an object to be detected, and it is sufficient that the light source 2 can radiate not only infrared rays but also a visible region and an ultraviolet region. It may be configured to emit light of other wavelengths.

光検出部4は、光Lを検出して、光Lの強度を測定する。光検出部4は、本実施形態では、図1に示されるように、光源2から放射されて筐体Hの内部空間S内を伝搬した後の光Lを検出する。光検出部4は、反射構造体3から反射された光Lを検出するように位置合わせされる。光検出部4は、回路部5に通信可能に接続されて、測定した光Lの強度データを回路部5に送信する。光検出部4は、光を検出して光の強度を測定することができれば、特に限定されることはなく、公知の量子型受光素子であるフォトダイオードや、公知の熱型受光素子であるサーモパイル、ボロメータ、焦電センサなどを採用することができる。フォトダイオードとしては、たとえば、近赤外域で使用されるPbS素子、InGaAs素子など、中赤外域で使用されるPbSe素子、InAsSb素子、Al-InAsSb素子など、遠赤外域で使用されるMCT(テルル化カドミウム水銀)素子などが例示される。 The photodetection unit 4 detects the light L and measures the intensity of the light L. In the present embodiment, the photodetector 4 detects the light L after being radiated from the light source 2 and propagating in the internal space S of the housing H, as shown in FIG. The photodetector 4 is aligned so as to detect the light L reflected from the reflection structure 3. The photodetector 4 is communicably connected to the circuit unit 5 and transmits the measured intensity data of the light L to the circuit unit 5. The photodetector 4 is not particularly limited as long as it can detect light and measure the intensity of light, and is not particularly limited, and is a known quantum light-receiving element, a photodiode, or a known thermal-type light-receiving element, a thermopile. , Bolometer, photodiode, etc. can be adopted. Examples of the photodiode include MCTs (tellurium) used in the far infrared region such as PbS elements and InGaAs elements used in the near infrared region, PbSe elements used in the mid-infrared region, InAsSb elements, and Al-InAsSb elements. A cadmium mercury) device and the like are exemplified.

回路部5は、図1に示されるように、光源2および光検出部4に通信可能に接続され、光源2および光検出部4を制御する。また、回路部5は、光源2から放射された光Lの強度と、光検出部4により測定された光Lの強度とを比較することで、検知対象ガスの有無を判定し、あるいは検知対象ガスの濃度を算出する。回路部5は、たとえば公知の中央演算処理装置(CPU)により構成することができる。 As shown in FIG. 1, the circuit unit 5 is communicably connected to the light source 2 and the photodetector unit 4 and controls the light source 2 and the photodetector unit 4. Further, the circuit unit 5 determines the presence or absence of the detection target gas by comparing the intensity of the light L emitted from the light source 2 with the intensity of the light L measured by the photodetection unit 4, or determines the presence or absence of the detection target gas. Calculate the gas concentration. The circuit unit 5 can be configured by, for example, a known central processing unit (CPU).

反射構造体3は、光Lを反射するとともに、検知対象物による光Lの吸収を促進する。反射構造体3は、図2に示されるように、金により形成される反射面31aを有する本体31と、光Lが照射されたときに局在表面プラズモン共鳴が生じるように本体31の反射面31a上に設けられる金ナノ粒子32とを備えている。反射構造体3は、本体31の反射面31aにより光Lを反射し、反射面31a上に設けられる金ナノ粒子32により検知対象物による光Lの吸収を促進する。 The reflection structure 3 reflects the light L and promotes the absorption of the light L by the detection object. As shown in FIG. 2, the reflective structure 3 has a main body 31 having a reflective surface 31a formed of gold and a reflective surface of the main body 31 so that localized surface plasmon resonance occurs when irradiated with light L. It is provided with gold nanoparticles 32 provided on 31a. The reflective structure 3 reflects the light L by the reflective surface 31a of the main body 31, and promotes the absorption of the light L by the detection object by the gold nanoparticles 32 provided on the reflective surface 31a.

反射構造体3は、本実施形態では、図1に示されるように、筐体Hの内部空間S内において、光源2から放射された光L、または他の反射構造体3から反射された光Lを反射して、さらに他の反射構造体3、または光検出部4に光Lを導くように、内部空間Sに隣接する筐体Hの側面に設けられる。ガス検知器1では、検知対象ガスが供給される筐体Hの内部空間S内において、反射構造体3によって光Lが反射されて伝搬するので、内部空間Sを大きくすることなく、光源2から光検出部4に至る光Lの経路を長くすることができる。ガス検知器1は、光Lの経路を長くすることができるので、内部空間Sを大きくすることなく、検知対象ガスによる光の吸収強度(検知信号強度)を増加させることができる。なお、反射構造体3は、本実施形態では、内部空間S内で光Lが複数回(図示された例では4回)反射されて光源2から光検出部4に導かれるように、互いに離間して複数(図示された例では4つ)設けられているが、その数や設けられる位置は特に限定されることはなく、たとえば1つであってもよいし、内部空間Sに隣接する筐体Hの側面に連続して設けられていてもよい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the reflective structure 3 is the light L emitted from the light source 2 or the light reflected from another reflective structure 3 in the internal space S of the housing H. It is provided on the side surface of the housing H adjacent to the internal space S so as to reflect L and guide the light L to another reflective structure 3 or the light detection unit 4. In the gas detector 1, the light L is reflected and propagated by the reflection structure 3 in the internal space S of the housing H to which the gas to be detected is supplied, so that the light L is transmitted from the light source 2 without increasing the internal space S. The path of the light L leading to the light detection unit 4 can be lengthened. Since the gas detector 1 can lengthen the path of the light L, it is possible to increase the absorption intensity (detection signal intensity) of the light by the detection target gas without increasing the internal space S. In the present embodiment, the reflection structures 3 are separated from each other so that the light L is reflected a plurality of times (four times in the illustrated example) in the internal space S and guided from the light source 2 to the light detection unit 4. Although a plurality of (four in the illustrated example) are provided, the number and positions of the provisions are not particularly limited, and may be one, for example, or a casing adjacent to the internal space S. It may be continuously provided on the side surface of the body H.

反射構造体3の本体31は、光Lを反射するとともに、金ナノ粒子32を支持する。本体31は、本実施形態では、図2に示されるように、金により形成される反射面31aと、反射面31aが設けられる基部31bと、基部31bと一体的に形成される支持台31cとを有している。本体31は、図1に示されるように、反射面31aが筐体Hの内部空間S内を向くように、支持台31cが筐体Hの側面に取り付けられることで、筐体Hに設けられる。 The main body 31 of the reflective structure 3 reflects the light L and supports the gold nanoparticles 32. In the present embodiment, the main body 31 includes a reflective surface 31a formed of gold, a base portion 31b provided with the reflective surface 31a, and a support base 31c integrally formed with the base portion 31b, as shown in FIG. have. As shown in FIG. 1, the main body 31 is provided on the housing H by attaching a support base 31c to the side surface of the housing H so that the reflecting surface 31a faces the inside of the internal space S of the housing H. ..

本体31の反射面31aは、光源2から放射された光Lを反射する。反射面31aは、本実施形態では、図2に示されるように、反射した光Lが集光されるように凹状に形成され、凹面鏡を形成している。ただし、反射面31aは、光Lを反射して、別の反射構造体3の反射面31aまたは光検出部4に光Lを導くことができれば、凹状に限定されることはなく、平面状など他の形状に形成されてもよい。反射面31aは、たとえば、基部31bを金により構成し、基部31bの表面を研磨することによって形成することもできるし、蒸着など公知の成膜手法により、基部31bの表面に金膜を設けることにより形成することもできる。反射面31aは、金により形成されることで、酸化されることなくより安定した表面を維持できるので、安定して光を反射することができる。さらに、金は、赤外線に対する反射率が高く、反射面31aは、光Lとして赤外線を用いる場合に、より有効に光を反射することができる。 The reflecting surface 31a of the main body 31 reflects the light L emitted from the light source 2. In the present embodiment, the reflecting surface 31a is formed in a concave shape so that the reflected light L is collected, and forms a concave mirror, as shown in FIG. However, the reflecting surface 31a is not limited to a concave shape, and is not limited to a concave shape, as long as it can reflect the light L and guide the light L to the reflecting surface 31a of another reflecting structure 3 or the photodetecting unit 4. It may be formed into other shapes. The reflective surface 31a can be formed, for example, by forming the base 31b with gold and polishing the surface of the base 31b, or by providing a gold film on the surface of the base 31b by a known film forming method such as thin film deposition. It can also be formed by. Since the reflecting surface 31a is formed of gold, a more stable surface can be maintained without being oxidized, so that light can be reflected stably. Further, gold has a high reflectance with respect to infrared rays, and the reflecting surface 31a can more effectively reflect light when infrared rays are used as the light L.

本体31の基部31bおよび支持台31cは、本実施形態では、それぞれ径の異なる略円柱状に形成されているが、反射面31bが設けられ、筐体Hに取り付けることができればよく、その形状は特に限定されない。また、基部31bおよび支持台31cは、特に限定されることはなく、たとえば金属(アルミニウムなど)や樹脂により形成することができる。基部31bおよび支持台31cと反射面31aとは、別の材料により形成されてもよいし、同じ材料により形成されてもよい。 In the present embodiment, the base portion 31b and the support base 31c of the main body 31 are formed in substantially cylindrical shapes having different diameters, but it is sufficient that the reflective surface 31b is provided and can be attached to the housing H, and the shape thereof is Not particularly limited. Further, the base portion 31b and the support base 31c are not particularly limited, and can be formed of, for example, a metal (aluminum or the like) or a resin. The base portion 31b, the support base 31c, and the reflecting surface 31a may be formed of different materials or may be formed of the same material.

反射構造体3の金ナノ粒子32は、共鳴条件を満たす波長の光Lが照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を生じる粒子である。金ナノ粒子32に光Lが照射されると、金ナノ粒子32の表面において自由電子のプラズモン振動が励起され、金ナノ粒子32内で自由電子の粗密が生じることで、金ナノ粒子32に分極状態が生じる。照射される光Lの波長と金ナノ粒子32の誘電率とが互いに共鳴条件を満足するとき、光Lによって金ナノ粒子32に励起される分極が非常に大きくなって、金ナノ粒子32に局在表面プラズモン共鳴が生じる。このときの分極は、共鳴条件を満たす光Lの周波数で振動して、その結果、金ナノ粒子32の極近傍において強い近接場光を生成する。金ナノ粒子32の極近傍を通過する検知対象ガスは、たとえば、この近接場光によって分子振動が励起されることによって、この近接場光を吸収する。この際、光と分子の相互作用時間が増加(104倍程度)し、光と分子の相互作用が著しく増幅されて、分子振動の励起が促進される。光源2から放射される光Lの波長が、金ナノ粒子32に局在表面プラズモン共鳴を生じさせるための光Lの波長と対応(または略一致)し、局在表面プラズモン共鳴によって生成される近接場光の波長が、検知対象ガスの吸収スペクトルにおける吸収ピークの波長(たとえば分子振動を励起するための光の波長)と対応(または略一致)する場合に、金ナノ粒子32に局在表面プラズモン共鳴が生じるとともに、たとえば、検知対象ガスの分子振動が非常に多く生じることになって、結果的に検知対象ガスによる光Lの吸収が大きくなる。したがって、反射構造体3は、反射面31a上に金ナノ粒子32を設けることで、光Lの吸収強度を増加させることができる。そして、ガス検知器1においては、金ナノ粒子32が反射面31aに設けられた反射構造体3を光Lの反射に用いることで、検知対象ガスによる光Lの吸収が大きくなるので、検知対象ガスの検知信号強度が増加する。 The gold nanoparticles 32 of the reflection structure 3 are particles that cause localized surface plasmon resonance when irradiated with light L having a wavelength satisfying the resonance condition. When the gold nanoparticles 32 are irradiated with light L, the plasmon vibration of free electrons is excited on the surface of the gold nanoparticles 32, and the free electrons become dense and dense in the gold nanoparticles 32, thereby polarizing the gold nanoparticles 32. A condition arises. When the wavelength of the irradiated light L and the permittivity of the gold nanoparticles 32 satisfy each other's resonance conditions, the polarization excited by the light L to the gold nanoparticles 32 becomes very large and is localized to the gold nanoparticles 32. Surface plasmon resonance occurs. The polarization at this time oscillates at the frequency of the light L satisfying the resonance condition, and as a result, a strong near-field light is generated in the very vicinity of the gold nanoparticles 32. The detection target gas passing in the very vicinity of the gold nanoparticles 32 absorbs the near-field light by, for example, the molecular vibration being excited by the near-field light. At this time, the interaction time between the light and the molecule increases (about 104 times), the interaction between the light and the molecule is remarkably amplified, and the excitation of the molecular vibration is promoted. The wavelength of the light L emitted from the light source 2 corresponds to (or substantially coincides with) the wavelength of the light L for causing the localized surface plasmon resonance in the gold nanoparticles 32, and the proximity generated by the localized surface plasmon resonance. Localized surface plasmon in gold nanoparticles 32 when the wavelength of the field light corresponds to (or substantially matches) the wavelength of the absorption peak in the absorption spectrum of the gas to be detected (for example, the wavelength of light for exciting molecular vibrations). Along with the occurrence of resonance, for example, a large amount of molecular vibration of the detection target gas is generated, and as a result, the absorption of light L by the detection target gas becomes large. Therefore, the reflective structure 3 can increase the absorption intensity of the light L by providing the gold nanoparticles 32 on the reflective surface 31a. Then, in the gas detector 1, by using the reflection structure 3 provided with the gold nanoparticles 32 on the reflection surface 31a for the reflection of the light L, the absorption of the light L by the detection target gas becomes large, so that the detection target The gas detection signal strength increases.

金ナノ粒子32は、球状、ロッド状、ワイヤ状またはプレート状などの任意の形状で、最長部分の長さが5μm未満の大きさに形成される金の粒子を含んでいる。金ナノ粒子32の形状および大きさは、特に限定されることはなく、検知対象ガスにより吸収される光の波長に対応して、金ナノ粒子32に局在表面プラズモン共鳴を生じさせるように設定される。従来、金ナノ粒子の形状および大きさに依存して、金ナノ粒子の誘電率が変化し、それによって、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる光の波長が変化することが知られている。たとえば、金ナノ粒子の大きさが大きくなるにしたがって、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる光の波長は大きくなる。また、金ナノ粒子を球状からロッド状やプレート状にすることで、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる光の波長が大きくなる。金ナノ粒子がロッド状に形成されている場合は、ロッド状の金ナノ粒子のアスペクト比(長辺の長さ/短辺の長さ)が小さいときは、主に金ナノ粒子の大きさ(たとえば長辺の長さ)に依存して、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる光の波長が大きくなるが、ロッド状の金ナノ粒子のアスペクト比が大きくなると、主にアスペクト比の大きさに依存して、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる光の波長が大きくなる。金ナノ粒子が、アスペクト比をさらに大きくしたワイヤ状に形成されることで、光の波長はさらに大きくなる。このように、局在表面プラズモン共鳴を生じさせる光の波長が金ナノ粒子32の形状および大きさに依存するので、金ナノ粒子32に局在表面プラズモン共鳴を生じさせ、それによって検知対象ガスによって光Lが吸収されるのに必要な光Lの波長に応じて、金ナノ粒子の形状および大きさを設定することができる。 The gold nanoparticles 32 include gold particles formed in any shape such as spherical, rod-shaped, wire-shaped, or plate-shaped, and having a length of the longest portion of less than 5 μm. The shape and size of the gold nanoparticles 32 are not particularly limited, and are set so as to cause localized surface plasmon resonance in the gold nanoparticles 32 according to the wavelength of the light absorbed by the detection target gas. Will be done. Conventionally, it has been known that the permittivity of gold nanoparticles changes depending on the shape and size of the gold nanoparticles, thereby changing the wavelength of light that causes localized surface plasmon resonance. For example, as the size of gold nanoparticles increases, the wavelength of light that causes localized surface plasmon resonance increases. Further, by changing the gold nanoparticles from spherical to rod-shaped or plate-shaped, the wavelength of light that causes localized surface plasmon resonance becomes large. When the gold nanoparticles are formed in the shape of a rod, when the aspect ratio (length of the long side / length of the short side) of the rod-shaped gold nanoparticles is small, the size of the gold nanoparticles is mainly (. For example, the wavelength of light that causes localized surface plasmon resonance increases depending on the length of the long side), but when the aspect ratio of rod-shaped gold nanoparticles increases, it mainly depends on the size of the aspect ratio. As a result, the wavelength of light that causes localized surface plasmon resonance increases. The gold nanoparticles are formed in the form of a wire having a larger aspect ratio, so that the wavelength of light is further increased. As described above, since the wavelength of the light that causes the localized surface plasmon resonance depends on the shape and size of the gold nanoparticles 32, the localized surface plasmon resonance is generated in the gold nanoparticles 32, thereby depending on the detection target gas. The shape and size of the gold nanoparticles can be set according to the wavelength of the light L required for the light L to be absorbed.

本実施形態のガス検知器1では、検知対象とする検知対象ガスの吸収スペクトルにおける吸収ピークが生じる波長を含む光Lが選択され、その光Lによって局在表面プラズモン共鳴が生じる形状および大きさの金ナノ粒子32が選択される。たとえば、メタン、ブタンなどの可燃性ガスを検知対象ガスとする場合、これらの可燃性ガスは中赤外領域の波長(たとえば2.5~4μm)に吸収ピークを有しているので、光Lとしては、中赤外領域の赤外線を用いることが好ましく、金ナノ粒子32は、ロッド状またはプレート状に形成されていることが好ましい。あるいは、光Lとして遠赤外領域の赤外線を用いる場合には、金ナノ粒子32は、ロッドのアスペクト比をより大きくしたワイヤ状に形成されることが好ましい。金ナノ粒子32は、ロッド状に形成されることで、光Lの波長を変更してもアスペクト比を変更することにより局在表面プラズモン共鳴を生じさせることができるので、検知対象ガスの種類に応じて容易に設計変更が可能である。ロッド状に形成される金ナノ粒子32のアスペクト比や大きさは、光Lの波長や、金ナノ粒子32と反射面31aとの間の距離などに応じて設定することができる。金ナノ粒子32のアスペクト比は、たとえば約1/1~約200/1の範囲で設定され、可視域から近赤外域の波長の光を用いる場合には約1/1~約5/1、中赤外域の波長の光を用いる場合には約5/1~約25/1(波長が3~4.5μmの光を用いる場合には約15/1~約25/1)、遠赤外領域の波長の光を用いる場合には約25/1~約200/1の範囲に設定される。また、金ナノ粒子32の長辺の長さは、たとえば約5~約5000nmの範囲で設定され、可視域の波長を有する光を用いる場合には約5~約20nm、近赤外域の光を用いる場合には約20~約100nm、中赤外域の光を用いる場合には約100~約1000nm、遠赤外域の光を用いる場合には約1000~約5000nmの範囲に設定される。 In the gas detector 1 of the present embodiment, the light L including the wavelength at which the absorption peak occurs in the absorption spectrum of the detection target gas to be detected is selected, and the light L has a shape and a size in which localized surface plasmon resonance occurs. Gold nanoparticles 32 are selected. For example, when flammable gases such as methane and butane are used as detection target gases, these flammable gases have absorption peaks at wavelengths in the mid-infrared region (for example, 2.5 to 4 μm), and therefore light L. It is preferable to use infrared rays in the mid-infrared region, and it is preferable that the gold nanoparticles 32 are formed in a rod shape or a plate shape. Alternatively, when infrared rays in the far infrared region are used as the light L, it is preferable that the gold nanoparticles 32 are formed in a wire shape having a larger aspect ratio of the rod. Since the gold nanoparticles 32 are formed in a rod shape, localized surface plasmon resonance can be generated by changing the aspect ratio even if the wavelength of the light L is changed. The design can be easily changed accordingly. The aspect ratio and size of the gold nanoparticles 32 formed in the rod shape can be set according to the wavelength of the light L, the distance between the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a, and the like. The aspect ratio of the gold nanoparticles 32 is set, for example, in the range of about 1/1 to about 200/1, and when light having a wavelength in the visible to near-infrared region is used, it is about 1/1 to about 5/1. Approximately 5/1 to approximately 25/1 when using light with wavelengths in the mid-infrared region (about 15/1 to approximately 25/1 when using light with a wavelength of 3 to 4.5 μm), far infrared When light having a wavelength in the region is used, it is set in the range of about 25/1 to about 200/1. The length of the long side of the gold nanoparticles 32 is set, for example, in the range of about 5 to about 5000 nm, and when light having a wavelength in the visible region is used, light in the near infrared region is set to about 5 to about 20 nm. When used, it is set in the range of about 20 to about 100 nm, when light in the mid-infrared region is used, it is set in the range of about 100 to about 1000 nm, and when light in the far infrared region is used, it is set in the range of about 1000 to about 5000 nm.

金ナノ粒子32の配置は、光Lが照射されたときに局在表面プラズモン共鳴が生じればよく、特に限定されることはない。本実施形態では、図2に示されるように、ロッド状に形成された金ナノ粒子32が、その長手方向が反射面31aに対して交差する方向(図示された例では略直交する方向)に延びるように配置されている。金ナノ粒子32の長手方向が反射面31aに対して交差する方向に延びることで、反射面31aを形成する金の誘電関数の影響によって、局在表面プラズモン共鳴のスペクトルが長波長側にシフトするため、金ナノ粒子32のアスペクト比を小さく抑えることができる。そして、金ナノ粒子32と反射面31aとの間の距離が互いに接触しない範囲で近ければ近いほど、局在表面プラズモン共鳴のスペクトルが長波長側にさらにシフトし、金ナノ粒子32のアスペクト比をさらに小さく抑えることができる。物性的には、金ナノ粒子32と反射面31aとの間で電子間相互作用(たとえばクーロン相互作用)が生じる場合に、金ナノ粒子32に光Lが照射されると、金ナノ粒子32は、反射面31aの影響を受けながら分極するので、長手方向の長さが実際の長さよりも伸びたように分極し、金ナノ粒子32の見かけ上のアスペクト比が大きくなる。それによって、使用される光Lの波長に対して金ナノ粒子32に要求されるアスペクト比は、金ナノ粒子32の増加した見かけ上のアスペクト比によって満足させられるので、金ナノ粒子32自体のアスペクト比を小さく抑えることができる。 The arrangement of the gold nanoparticles 32 is not particularly limited as long as localized surface plasmon resonance occurs when irradiated with light L. In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the rod-shaped gold nanoparticles 32 are oriented in a direction in which their longitudinal directions intersect with the reflection surface 31a (directions substantially orthogonal to each other in the illustrated example). It is arranged so as to extend. When the longitudinal direction of the gold nanoparticles 32 extends in the direction intersecting the reflecting surface 31a, the spectrum of the localized surface plasmon resonance shifts to the long wavelength side due to the influence of the dielectric function of the gold forming the reflecting surface 31a. Therefore, the aspect ratio of the gold nanoparticles 32 can be kept small. The closer the distance between the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a is within the range where they do not contact each other, the more the spectrum of the localized surface plasmon resonance shifts further to the long wavelength side, and the aspect ratio of the gold nanoparticles 32 is increased. It can be kept even smaller. In terms of physical properties, when electron-electron interaction (for example, Coulomb interaction) occurs between the gold nanoparticles 32 and the reflective surface 31a, when the gold nanoparticles 32 are irradiated with light L, the gold nanoparticles 32 become the gold nanoparticles 32. Since it is polarized under the influence of the reflective surface 31a, it is polarized so that the length in the longitudinal direction is longer than the actual length, and the apparent aspect ratio of the gold nanoparticles 32 becomes large. Thereby, the aspect ratio required for the gold nanoparticles 32 with respect to the wavelength of the light L used is satisfied by the increased apparent aspect ratio of the gold nanoparticles 32, and thus the aspect of the gold nanoparticles 32 itself. The ratio can be kept small.

金ナノ粒子32は、本実施形態では、図2に示されるように、反射面31a上に複数設けられている。しかし、金ナノ粒子32の数は、特に限定されることはなく、反射面31aの略全面を覆うような数であってもよいし、反射面31aの一部を覆うような数であってもよく、必要とされる、検知対象ガスによる光Lの吸収強度や反射面31aによる光Lの反射強度に応じて、適宜設定することができる。たとえば、反射面31a上における金ナノ粒子32の密度は、後述する自己組織化によって配置される範囲に設定することができる。また、金ナノ粒子32間の間隔は、特に限定されることはないが、金属消光(隣接する金ナノ粒子へのエネルギー移動に伴う励起子の消失)が抑制される範囲内であって、局在表面プラズモンにより増強される電場の影響を受ける範囲内であることが好ましく、たとえば3~10nmであることが好ましい。ただし、金属消光が抑制される範囲としては、金ナノ粒子32同士が接触するとプラズモン共鳴が消失するので、金ナノ粒子32同士が接触しない範囲で、たとえば1nm程度の範囲とすることもできる。また、局在表面プラズモンにより増強される電場の影響を受ける範囲は、金ナノ粒子32の形状や共鳴波長などによって定まるため、金ナノ粒子32間の間隔は、金ナノ粒子32の形状や共鳴波長などに応じて、たとえば100nm程度の範囲とすることも可能である。したがって、金ナノ粒子32間の間隔は、1~100nmの範囲とすることも可能である。 In this embodiment, a plurality of gold nanoparticles 32 are provided on the reflecting surface 31a as shown in FIG. However, the number of gold nanoparticles 32 is not particularly limited, and may be a number that covers substantially the entire surface of the reflective surface 31a, or a number that covers a part of the reflective surface 31a. Also, it can be appropriately set according to the required absorption intensity of the light L by the detection target gas and the reflection intensity of the light L by the reflection surface 31a. For example, the density of the gold nanoparticles 32 on the reflective surface 31a can be set to a range in which they are arranged by self-organization, which will be described later. The distance between the gold nanoparticles 32 is not particularly limited, but is within a range in which metal quenching (disappearance of excitons due to energy transfer to adjacent gold nanoparticles) is suppressed, and the station is stationed. It is preferably within the range affected by the electric field enhanced by the surface plasmon, and is preferably 3 to 10 nm, for example. However, as the range in which the metal quenching is suppressed, since the plasmon resonance disappears when the gold nanoparticles 32 come into contact with each other, the range in which the gold nanoparticles 32 do not come into contact with each other can be set to a range of, for example, about 1 nm. Further, since the range affected by the electric field enhanced by the localized surface plasmon is determined by the shape and resonance wavelength of the gold nanoparticles 32, the distance between the gold nanoparticles 32 is determined by the shape and resonance wavelength of the gold nanoparticles 32. It is also possible to set the range to, for example, about 100 nm depending on the above. Therefore, the spacing between the gold nanoparticles 32 can be in the range of 1 to 100 nm.

金ナノ粒子32の反射面31aへの配置方法は、光Lが照射されたときに局在表面プラズモン共鳴が生じるように本体31の反射面31aに設けられていればよく、特に限定されることはないが、本実施形態では、図2に示されるように、金ナノ粒子32は、リンカー33を介して反射面31aに連結されている。リンカー33は、光Lが照射されたときに金ナノ粒子32と反射面31aとの間での自由電子の授受を抑制して、金ナノ粒子32に分極を生じさせるように、反射面31aから離間して金ナノ粒子32を反射面31a上に配置する。なお、本実施形態では、金ナノ粒子32と反射面31aとがリンカー33を介して連結されているが、金ナノ粒子32同士がリンカーを介して連結されていてもよい。 The method of arranging the gold nanoparticles 32 on the reflecting surface 31a may be particularly limited as long as it is provided on the reflecting surface 31a of the main body 31 so that localized surface plasmon resonance occurs when the light L is irradiated. However, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the gold nanoparticles 32 are connected to the reflecting surface 31a via the linker 33. The linker 33 suppresses the transfer of free electrons between the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a when irradiated with light L, and causes the gold nanoparticles 32 to be polarized from the reflecting surface 31a. The gold nanoparticles 32 are spaced apart and placed on the reflective surface 31a. In the present embodiment, the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a are connected via the linker 33, but the gold nanoparticles 32 may be connected to each other via the linker.

金ナノ粒子32と反射面31aとの間の間隔は、特に限定されることはないが、金属消光(隣接する反射面31aへのエネルギー移動に伴う励起子の消失)が抑制される範囲内であって、局在表面プラズモンにより増強される電場の影響を受ける範囲内であることが好ましく、たとえば3~10nmであることが好ましい。ただし、金属消光が抑制される範囲としては、金ナノ粒子32と反射面31aとが接触するとプラズモン共鳴が消失するので、金ナノ粒子32と反射面31aとが接触しない範囲で、たとえば1nm程度の範囲とすることもできる。また、局在表面プラズモンにより増強される電場の影響を受ける範囲は、金ナノ粒子32の形状や共鳴波長などによって定まるため、金ナノ粒子32と反射面31aとの間の間隔は、金ナノ粒子32の形状や共鳴波長などに応じて、たとえば100nm程度の範囲とすることも可能である。したがって、金ナノ粒子32と反射面31aとの間の間隔は、1~100nmの範囲とすることも可能である。 The distance between the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a is not particularly limited, but is within a range in which metal quenching (disappearance of excitons due to energy transfer to the adjacent reflecting surface 31a) is suppressed. Therefore, it is preferably within the range affected by the electric field enhanced by the localized surface plasmon, and is preferably 3 to 10 nm, for example. However, as the range in which the metal quenching is suppressed, the plasmon resonance disappears when the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a come into contact with each other. It can also be a range. Further, since the range affected by the electric field enhanced by the localized surface plasmon is determined by the shape of the gold nanoparticles 32, the resonance wavelength, and the like, the distance between the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a is determined by the gold nanoparticles. Depending on the shape of 32, the resonance wavelength, and the like, it is possible to set the range to, for example, about 100 nm. Therefore, the distance between the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a can be in the range of 1 to 100 nm.

リンカー33を構成する材料としては、互いの自由電子の授受を抑制するように金ナノ粒子32を反射面31a上に配置することができれば、特に限定されることはなく、たとえば、たんぱく質の架橋剤や、金属有機構造体を安定化させるテレフタル酸ジアニオンなどを用いることができる。ただし、金ナノ粒子32は、自己組織化により形成されるリンカー33を介して反射面31aに連結されていることが好ましい。本実施形態では、リンカー33は、自己組織化し、自己組織化単分子膜を形成している。そして、自己組織化により形成されるリンカー33と金ナノ粒子32とが連結され、自己組織化膜を形成している。自己組織化単分子膜は、比較的均一な膜厚で反射面31a上に形成することができるので、金ナノ粒子32は、自己組織化により形成されるリンカー33を介して反射面31aに連結されることにより、反射面31aとの間隔がより均一になるように配置され得る。 The material constituting the linker 33 is not particularly limited as long as the gold nanoparticles 32 can be arranged on the reflective surface 31a so as to suppress the transfer of free electrons to each other. For example, a protein cross-linking agent. Or, a terephthalate dianion that stabilizes a metal-organic structure can be used. However, it is preferable that the gold nanoparticles 32 are connected to the reflective surface 31a via a linker 33 formed by self-assembly. In this embodiment, the linker 33 is self-assembled to form a self-assembled monolayer. Then, the linker 33 formed by self-assembly and the gold nanoparticles 32 are linked to form a self-assembled film. Since the self-assembled monolayer can be formed on the reflective surface 31a with a relatively uniform film thickness, the gold nanoparticles 32 are connected to the reflective surface 31a via the linker 33 formed by self-assembly. By doing so, it can be arranged so that the distance from the reflecting surface 31a becomes more uniform.

リンカー33が形成する自己組織化単分子膜の単分子としては、特に限定されることはなく、チオール基を有するもの、リン酸基を有するもの、ホスホン基を有するものなど、一端が反射面31aに結合し他端が金ナノ粒子32に結合するものを用いることができる。チオール基を有するものとしては、特に限定されることはなく、アルカンジチオールやオクタデシルジチオールなどが例示される。アルカンジチオールとしては、炭素数が5~50のものが好ましく、5~30のものがより好ましく、10~20のものがさらに好ましい。 The single molecule of the self-assembled monolayer formed by the linker 33 is not particularly limited, and one end thereof includes a reflective surface 31a, such as one having a thiol group, one having a phosphoric acid group, and one having a phosphone group. It can be used that is bonded to the gold nanoparticles 32 and the other end is bonded to the gold nanoparticles 32. Those having a thiol group are not particularly limited, and examples thereof include alkanedithiol and octadecyldithiol. As the alkanedithiol, those having 5 to 50 carbon atoms are preferable, those having 5 to 30 carbon atoms are more preferable, and those having 10 to 20 carbon atoms are further preferable.

自己組織化単分子膜の形成方法は、公知の方法を採用することができる。たとえば、単分子としてアルカンジチオールを用いる場合は、所定の炭素数を有するアルカンジチオールを含む溶液に反射構造体3の反射面31aを浸漬することにより、反射面31a上に自己組織化単分子膜を形成することができる。自己組織化単分子膜が形成された反射面31aを、金ナノ粒子32が分散された溶液に浸漬することにより、金ナノ粒子32は、自己組織化単分子膜を介して反射面31aに連結される。あるいは、所定の炭素数を有するアルカンジチオールと金ナノ粒子32とをあらかじめ分散させた溶液に、反射構造体3の反射面31aを浸漬させることによっても、自己組織化単分子膜を反射面31a上に形成し、金ナノ粒子32を反射面31aに連結することができる。 As a method for forming the self-assembled monolayer, a known method can be adopted. For example, when alkanedithiol is used as a single molecule, a self-assembled monolayer is formed on the reflective surface 31a by immersing the reflective surface 31a of the reflective structure 3 in a solution containing alkanedithiol having a predetermined carbon number. Can be formed. By immersing the reflective surface 31a on which the self-assembled monolayer was formed in the solution in which the gold nanoparticles 32 were dispersed, the gold nanoparticles 32 were connected to the reflective surface 31a via the self-assembled monolayer. Will be done. Alternatively, the self-assembled monolayer can be formed on the reflective surface 31a by immersing the reflective surface 31a of the reflective structure 3 in a solution in which arcandithiol having a predetermined carbon number and gold nanoparticles 32 are dispersed in advance. The gold nanoparticles 32 can be connected to the reflective surface 31a.

リンカーを構成する材料として、他にも、反射面31a上に設けられたクロム膜(たとえば膜厚1~2nm)およびシリコン酸化物膜(たとえば膜厚2~3nm)の上に、たとえば一方がシランカップリングで、他方がチオールにより形成される表面修飾剤を設けたものを用いることで、金ナノ粒子32と反射面31aとの間の間隔を精緻に制御することができる。また、表面をシリコン酸化物で被覆した逆コアシェル型の、たとえばロッド状の金ナノ粒子32を用いても、金ナノ粒子32と反射面31aとの間の間隔を確保することができる。 Other materials constituting the linker include a chrome film (for example, a film thickness of 1 to 2 nm) and a silicon oxide film (for example, a film thickness of 2 to 3 nm) provided on the reflective surface 31a, for example, one of which is silane. By using a coupling provided with a surface modifier formed by thiol on the other side, the distance between the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a can be precisely controlled. Further, even if a reverse core shell type gold nanoparticles 32 having a surface coated with a silicon oxide, for example, rod-shaped gold nanoparticles 32, can be used, the distance between the gold nanoparticles 32 and the reflecting surface 31a can be secured.

1 光分析装置(ガス検知器)
2 光源
3 反射構造体
31 本体
31a 反射面
31b 基部
31c 支持台
32 金ナノ粒子
33 リンカー
4 光検出部
5 回路部
C 操作部
D 表示部
H 筐体
L 光
N 非分散型赤外線分析(NDIR)式ガスセンサ
S 内部空間
1 Optical analyzer (gas detector)
2 Light source 3 Reflective structure 31 Main body 31a Reflective surface 31b Base 31c Support stand 32 Gold nanoparticles 33 Linker 4 Light detector 5 Circuit part C Operation part D Display part H Housing L Light N Non-dispersion infrared analysis (NDIR) type Gas sensor S internal space

Claims (6)

検知対象ガスを検知するための非分散型赤外線分析式ガスセンサにおいて、赤外線を反射する反射構造体であって、
金により形成される反射面を有する本体と、
前記赤外線が照射されたときに局在表面プラズモン共鳴が生じるように前記本体の反射面上に設けられる金ナノ粒子とを備え、
記金ナノ粒子において前記局在表面プラズモン共鳴を生じさせる前記赤外線の波長と、前記赤外線が照射された際の前記検知対象ガスの赤外線吸収スペクトルにおける吸収ピークの波長とが略一致するように、前記金ナノ粒子の形状、前記金ナノ粒子の大きさ、または前記金ナノ粒子と前記反射面との間の間隔が設定される、反射構造体。
In a non-dispersive infrared analysis type gas sensor for detecting a gas to be detected, it is a reflective structure that reflects infrared rays.
A body with a reflective surface formed of gold,
It is provided with gold nanoparticles provided on the reflective surface of the main body so that localized surface plasmon resonance occurs when irradiated with the infrared rays.
The wavelength of the infrared ray that causes the localized surface plasmon resonance in the gold nanoparticles and the wavelength of the absorption peak in the infrared absorption spectrum of the detection target gas when the infrared ray is irradiated are substantially the same . A reflective structure in which the shape of the gold nanoparticles, the size of the gold nanoparticles, or the distance between the gold nanoparticles and the reflective surface is set .
前記金ナノ粒子が、リンカーを介して前記反射面に連結されている、
請求項1に記載の反射構造体。
The gold nanoparticles are linked to the reflective surface via a linker.
The reflective structure according to claim 1.
前記金ナノ粒子が、自己組織化により形成されるリンカーを介して前記反射面に連結されている、
請求項1に記載の反射構造体。
The gold nanoparticles are linked to the reflective surface via a linker formed by self-assembly.
The reflective structure according to claim 1.
前記金ナノ粒子が、ロッド状に形成されている、
請求項1~3のいずれか1項に記載の反射構造体。
The gold nanoparticles are formed in a rod shape.
The reflective structure according to any one of claims 1 to 3.
請求項1~4のいずれか1項に記載の反射構造体を用いた光分析装置。 An optical analyzer using the reflection structure according to any one of claims 1 to 4. 中赤外領域の赤外線を用いる、請求項5に記載の光分析装置。 The optical analyzer according to claim 5, which uses infrared rays in the mid-infrared region.
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