ケモクロミックセンサならびにケモクロミック試薬および試験材料の検知方法
【課題】複数の双方向ＬＥＤを含むケモクロミックセンサを提供する。
【解決手段】複数の双方向ＬＥＤは、それぞれ、１つまたは複数の試験領域と光学的に位置合わせされている。各ＬＥＤは、順方向バイアスで駆動されると発光器として、逆方向バイアスで駆動されると光検出器として用いられる。ＬＥＤにかかるバイアスを変えることによって、試験領域の多方向光測定値を得ることができる。
【解決手段】複数の双方向ＬＥＤは、それぞれ、１つまたは複数の試験領域と光学的に位置合わせされている。各ＬＥＤは、順方向バイアスで駆動されると発光器として、逆方向バイアスで駆動されると光検出器として用いられる。ＬＥＤにかかるバイアスを変えることによって、試験領域の多方向光測定値を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的にはケモクロミックセンサに関し、特にＬＥＤベースのケモクロミックセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ケモクロミックセンサでは、試験材料が試験領域のケモクロミック試薬と反応する。触媒を用いて可逆反応を促すこともできる。反応は、試薬の光学特性を変化させる。これは、光センサを用いて測定することができる。
【０００３】
従来技術のケモクロミックセンサは、通常、試験領域の一方向光測定値を用いる。光は、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって放射され、フォトトランジスタによって検知されるものであり、例えば、Benson等著「低コストの光ファイバケモクロミック水素ガス検出器（Low-cost fiber-optic chemochromic hydrogen gas detector）」（Proceedings 1999 U.S. DOE Hydrogen Program review, NREL/CP-570-26938, 1999）を参照されたい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、一方向光測定値を用いるため、試験物質の既知の量によるセンサの校正が必要であり、ケモクロミック試薬の経時特性も既知でなければならない。したがって、零位測定値および差動測定値を用いるケモクロミックセンサを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、複数の回路を持つＬＥＤベースのケモクロミックセンサを提供する。本センサは、複数の双方向ＬＥＤを用い、各ＬＥＤは、１つまたは複数の試験領域と光学的に位置合わせされている。各ＬＥＤは、順方向バイアスで駆動されると発光器として、逆方向バイアスで駆動されると光検出器として用いられる。ＬＥＤにかけるバイアスを変えることによって、試験領域の多方向光測定値を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明による多方向ＬＥＤベースのケモクロミックセンサ１００を示す。第１の双方向ＬＥＤ１１０および第２の双方向ＬＥＤ１２０は、抵抗器１１５および１２５を介してマイクロプロセッサ１３０のＩ／Ｏピン対にそれぞれ直列に接続されている。ＬＥＤにかかるバイアスは、そのＬＥＤが光を放射するのか検知するのかを決める。放射器とセンサの両方として動作する発光ダイオードの詳細な説明については、米国特許出願第１０／１２６，７６１号「双方向ＬＥＤを用いた通信（Communication Using Bi-Directional LEDs）」（Dietz他、２００２年４月１９日出願、全体を参照により本明細書中に援用）を参照されたい。
【０００７】
ＬＥＤがセンサとして動作する場合、逆方向バイアスをかけたＬＥＤの接合容量がまず充電される。その接合部は、次に光に暴露され、それによって、接合電圧は、論理ハイレベルから論理ローレベルに降下する。この降下を生じるのにかかる時間は、入射光量の尺度であり、本明細書では、試験材料の量である。減算すべき背景の光量は、放射ＬＥＤをオフにすることによって測定することができる。
【０００８】
試験領域１０１は、ケモクロミック試薬と試験材料（通常は、「ケモクロミック材料」の組み合わせ、または「ケモクロミック材料」単独）との混合物１０２にさらされる。この混合物は、液体またはガス形態で、任意数の既知の方法で試験領域に塗布することができる。混合物１０２は、順方向バイアスで駆動された第１のＬＥＤ１１０によって照明される（１１１）。反射光１２１は、逆方向バイアスで駆動された第２のＬＥＤ１２０によって検知される。検知された光量は、オペレーティングプログラムおよびアプリケーションプログラムを実行しているマイクロプロセッサ１３０によって測定される。このマイクロプロセッサは、さらに、ＬＥＤにかけるバイアスも決める。バイアスを逆方向にすることによって、ＬＥＤ１２０から光を放射し、ＬＥＤ１１０によって検知して、多方向ＬＥＤベースのケモクロミックセンサを提供することができる。双方向の光量を測定し、両測定値を比較することによって、零位測定値および差動測定値を得ることができる。
【０００９】
図２は、２つのＬＥＤからなるケモクロミックセンサの構成２００を示す。２つのＬＥＤ１１０および１２０は、互いに直角である。ＬＥＤは、透明なＬ字型の光導波路２１０によって接続される。混合物は、光導波路２１０の角にある試験領域１０１に塗布され、そこで光２１１がどちらかの方向に反射される。
【００１０】
図３は、複数のＬＥＤ３１０および複数の光導波路３１５〜３１７を有するケモクロミックセンサ３００を示す。校正のために、光導波路の一部は、試験材料の既知の量を測定するために用いられ、他の光導波路は、試験材料の未知の量を測定するために用いられる。複数の光導波路により、精度が高くなり、再現性が向上し、試験時間が短くなる。例えば、光導波路３１５がケモクロミック試薬３１１の経時特性を測定するためだけに用いられ、光導波路３１６は試験材料３２１の既知の量を測定するために用いられ、光導波路３１７は試験材料３３１の未知の量を測定するために用いられる。さらなるセンサおよび光導波路を用いることもできることに留意すべきである。
【００１１】
本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神および範囲内で様々な他の適用形態および変更形態を実施できるということが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲に入る全ての変形形態および変更形態を網羅することである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による多方向ＬＥＤベースのケモクロミックセンサのブロック図である。
【図２】本発明による２ＬＥＤケモクロミックセンサの側面図である。
【図３】本発明による３ＬＥＤケモクロミックセンサの側面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、包括的にはケモクロミックセンサに関し、特にＬＥＤベースのケモクロミックセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ケモクロミックセンサでは、試験材料が試験領域のケモクロミック試薬と反応する。触媒を用いて可逆反応を促すこともできる。反応は、試薬の光学特性を変化させる。これは、光センサを用いて測定することができる。
【０００３】
従来技術のケモクロミックセンサは、通常、試験領域の一方向光測定値を用いる。光は、発光ダイオード（ＬＥＤ）によって放射され、フォトトランジスタによって検知されるものであり、例えば、Benson等著「低コストの光ファイバケモクロミック水素ガス検出器（Low-cost fiber-optic chemochromic hydrogen gas detector）」（Proceedings 1999 U.S. DOE Hydrogen Program review, NREL/CP-570-26938, 1999）を参照されたい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術では、一方向光測定値を用いるため、試験物質の既知の量によるセンサの校正が必要であり、ケモクロミック試薬の経時特性も既知でなければならない。したがって、零位測定値および差動測定値を用いるケモクロミックセンサを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、複数の回路を持つＬＥＤベースのケモクロミックセンサを提供する。本センサは、複数の双方向ＬＥＤを用い、各ＬＥＤは、１つまたは複数の試験領域と光学的に位置合わせされている。各ＬＥＤは、順方向バイアスで駆動されると発光器として、逆方向バイアスで駆動されると光検出器として用いられる。ＬＥＤにかけるバイアスを変えることによって、試験領域の多方向光測定値を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明による多方向ＬＥＤベースのケモクロミックセンサ１００を示す。第１の双方向ＬＥＤ１１０および第２の双方向ＬＥＤ１２０は、抵抗器１１５および１２５を介してマイクロプロセッサ１３０のＩ／Ｏピン対にそれぞれ直列に接続されている。ＬＥＤにかかるバイアスは、そのＬＥＤが光を放射するのか検知するのかを決める。放射器とセンサの両方として動作する発光ダイオードの詳細な説明については、米国特許出願第１０／１２６，７６１号「双方向ＬＥＤを用いた通信（Communication Using Bi-Directional LEDs）」（Dietz他、２００２年４月１９日出願、全体を参照により本明細書中に援用）を参照されたい。
【０００７】
ＬＥＤがセンサとして動作する場合、逆方向バイアスをかけたＬＥＤの接合容量がまず充電される。その接合部は、次に光に暴露され、それによって、接合電圧は、論理ハイレベルから論理ローレベルに降下する。この降下を生じるのにかかる時間は、入射光量の尺度であり、本明細書では、試験材料の量である。減算すべき背景の光量は、放射ＬＥＤをオフにすることによって測定することができる。
【０００８】
試験領域１０１は、ケモクロミック試薬と試験材料（通常は、「ケモクロミック材料」の組み合わせ、または「ケモクロミック材料」単独）との混合物１０２にさらされる。この混合物は、液体またはガス形態で、任意数の既知の方法で試験領域に塗布することができる。混合物１０２は、順方向バイアスで駆動された第１のＬＥＤ１１０によって照明される（１１１）。反射光１２１は、逆方向バイアスで駆動された第２のＬＥＤ１２０によって検知される。検知された光量は、オペレーティングプログラムおよびアプリケーションプログラムを実行しているマイクロプロセッサ１３０によって測定される。このマイクロプロセッサは、さらに、ＬＥＤにかけるバイアスも決める。バイアスを逆方向にすることによって、ＬＥＤ１２０から光を放射し、ＬＥＤ１１０によって検知して、多方向ＬＥＤベースのケモクロミックセンサを提供することができる。双方向の光量を測定し、両測定値を比較することによって、零位測定値および差動測定値を得ることができる。
【０００９】
図２は、２つのＬＥＤからなるケモクロミックセンサの構成２００を示す。２つのＬＥＤ１１０および１２０は、互いに直角である。ＬＥＤは、透明なＬ字型の光導波路２１０によって接続される。混合物は、光導波路２１０の角にある試験領域１０１に塗布され、そこで光２１１がどちらかの方向に反射される。
【００１０】
図３は、複数のＬＥＤ３１０および複数の光導波路３１５〜３１７を有するケモクロミックセンサ３００を示す。校正のために、光導波路の一部は、試験材料の既知の量を測定するために用いられ、他の光導波路は、試験材料の未知の量を測定するために用いられる。複数の光導波路により、精度が高くなり、再現性が向上し、試験時間が短くなる。例えば、光導波路３１５がケモクロミック試薬３１１の経時特性を測定するためだけに用いられ、光導波路３１６は試験材料３２１の既知の量を測定するために用いられ、光導波路３１７は試験材料３３１の未知の量を測定するために用いられる。さらなるセンサおよび光導波路を用いることもできることに留意すべきである。
【００１１】
本発明を好ましい実施の形態の例として説明してきたが、本発明の精神および範囲内で様々な他の適用形態および変更形態を実施できるということが理解されるべきである。したがって、添付の特許請求の範囲の目的は、本発明の真の精神および範囲に入る全ての変形形態および変更形態を網羅することである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による多方向ＬＥＤベースのケモクロミックセンサのブロック図である。
【図２】本発明による２ＬＥＤケモクロミックセンサの側面図である。
【図３】本発明による３ＬＥＤケモクロミックセンサの側面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のＩ／Ｏピン対および第２のＩ／Ｏピン対、ならびに前記第１のＩ／Ｏピン対の両端および前記第２のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定する手段を含むマイクロプロセッサと、
前記第１のＩ／Ｏピン対に接続された第１の発光ダイオードと、
前記第２のＩ／Ｏピン対に接続された第２の発光ダイオードと、
ケモクロミック試薬と試験材料の混合物を収容するように構成された試験領域と、
前記第１の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動して前記試験領域に光を放射し、その一方で前記第２の発光ダイオードを逆方向バイアスで駆動して、前記第２のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定して前記試験領域からの光を検知することにより前記試験材料の第１の量を測定する手段と
を備えるケモクロミックセンサ。
【請求項２】
前記第２の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動して前記試験領域に光を放射し、その一方で前記第１の発光ダイオードを逆方向バイアスで駆動して、前記第１のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定して前記試験領域からの光を検知することにより前記試験材料の第２の量を測定する手段と、
前記第１の量および前記第２の量を比較して前記試験材料を差動的に測定する手段と
をさらに備える請求項１に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項３】
前記試験領域は、前記第１の発光ダイオードと前記第２の発光ダイオードを光学的に結合する光導波路上にある請求項１に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項４】
前記第１の発光ダイオードと前記第２の発光ダイオードは互いに直角であり、前記光導波路はＬ字型である請求項３に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項５】
前記試験領域は、前記光導波路の角にある請求項３に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項６】
電圧降下は、前記マイクロプロセッサのタイマによって測定される請求項１に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項７】
前記ケモクロミック試薬と前記試験材料の混合物を含む試験領域に光を放射するために、第１の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動することと、
第２のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定して前記試験領域からの光を検知することにより試験材料の第１の量を測定するために、第２の発光ダイオードを逆方向バイアスで駆動することと
を含むケモクロミック試薬および試験材料の検知方法。
【請求項８】
前記ケモクロミック試薬と前記試験材料の混合物を含む前記試験領域に光を放射するために、第２の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動することと、
前記第２のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定して前記試験領域からの光を検知することにより前記試験材料の第２の量を差動的に測定するために、第１の発光ダイオードを逆方向バイアスで駆動することと、
前記試験材料を差動的に測定するために前記第１の量および前記第２の量を比較することと
をさらに含む請求項７に記載のケモクロミック試薬および試験材料の検知方法。
【請求項９】
複数のＩ／Ｏピン対および前記Ｉ／Ｏピン対の各々の両端の電圧降下を測定する手段を含むマイクロプロセッサと、
前記Ｉ／Ｏピン対の１つに１つずつ接続された複数の発光ダイオードと、
それぞれがケモクロミック材料を収容するように構成された複数の試験領域と、
特定の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動して選択された試験領域に光を放射し、その他の前記発光ダイオードをそれぞれ逆方向バイアスで駆動して、前記逆方向に駆動された発光ダイオードに対応するＩ／Ｏピン対の両端で、前記ケモクロミック材料の量に相当する電圧降下を測定することにより前記選択された試験領域から反射された光を検知する手段と
を備えるケモクロミックセンサ。
【請求項１】
第１のＩ／Ｏピン対および第２のＩ／Ｏピン対、ならびに前記第１のＩ／Ｏピン対の両端および前記第２のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定する手段を含むマイクロプロセッサと、
前記第１のＩ／Ｏピン対に接続された第１の発光ダイオードと、
前記第２のＩ／Ｏピン対に接続された第２の発光ダイオードと、
ケモクロミック試薬と試験材料の混合物を収容するように構成された試験領域と、
前記第１の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動して前記試験領域に光を放射し、その一方で前記第２の発光ダイオードを逆方向バイアスで駆動して、前記第２のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定して前記試験領域からの光を検知することにより前記試験材料の第１の量を測定する手段と
を備えるケモクロミックセンサ。
【請求項２】
前記第２の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動して前記試験領域に光を放射し、その一方で前記第１の発光ダイオードを逆方向バイアスで駆動して、前記第１のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定して前記試験領域からの光を検知することにより前記試験材料の第２の量を測定する手段と、
前記第１の量および前記第２の量を比較して前記試験材料を差動的に測定する手段と
をさらに備える請求項１に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項３】
前記試験領域は、前記第１の発光ダイオードと前記第２の発光ダイオードを光学的に結合する光導波路上にある請求項１に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項４】
前記第１の発光ダイオードと前記第２の発光ダイオードは互いに直角であり、前記光導波路はＬ字型である請求項３に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項５】
前記試験領域は、前記光導波路の角にある請求項３に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項６】
電圧降下は、前記マイクロプロセッサのタイマによって測定される請求項１に記載のケモクロミックセンサ。
【請求項７】
前記ケモクロミック試薬と前記試験材料の混合物を含む試験領域に光を放射するために、第１の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動することと、
第２のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定して前記試験領域からの光を検知することにより試験材料の第１の量を測定するために、第２の発光ダイオードを逆方向バイアスで駆動することと
を含むケモクロミック試薬および試験材料の検知方法。
【請求項８】
前記ケモクロミック試薬と前記試験材料の混合物を含む前記試験領域に光を放射するために、第２の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動することと、
前記第２のＩ／Ｏピン対の両端の電圧降下を測定して前記試験領域からの光を検知することにより前記試験材料の第２の量を差動的に測定するために、第１の発光ダイオードを逆方向バイアスで駆動することと、
前記試験材料を差動的に測定するために前記第１の量および前記第２の量を比較することと
をさらに含む請求項７に記載のケモクロミック試薬および試験材料の検知方法。
【請求項９】
複数のＩ／Ｏピン対および前記Ｉ／Ｏピン対の各々の両端の電圧降下を測定する手段を含むマイクロプロセッサと、
前記Ｉ／Ｏピン対の１つに１つずつ接続された複数の発光ダイオードと、
それぞれがケモクロミック材料を収容するように構成された複数の試験領域と、
特定の発光ダイオードを順方向バイアスで駆動して選択された試験領域に光を放射し、その他の前記発光ダイオードをそれぞれ逆方向バイアスで駆動して、前記逆方向に駆動された発光ダイオードに対応するＩ／Ｏピン対の両端で、前記ケモクロミック材料の量に相当する電圧降下を測定することにより前記選択された試験領域から反射された光を検知する手段と
を備えるケモクロミックセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２００６−５００５６０（Ｐ２００６−５００５６０Ａ）
【公表日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５３７６０８（Ｐ２００４−５３７６０８）
【出願日】平成１５年９月１８日（２００３．９．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１１９３１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０２７４０３
【国際公開日】平成１６年４月１日（２００４．４．１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０４０９４６９３）ダブリン シティ ユニバーシティ (11)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１５年９月１８日（２００３．９．１８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１１９３１
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０２７４０３
【国際公開日】平成１６年４月１日（２００４．４．１）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【出願人】（５０４０９４６９３）ダブリン シティ ユニバーシティ (11)
【Ｆターム（参考）】
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