界面活性剤濃度測定装置及び界面活性剤濃度測定方法
【課題】試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、小型化が可能で特に野外において容易に使用できる界面活性剤濃度測定装置及びそれを用いた方法を提供する。
【解決手段】容器１０に界面活性剤の濃度測定対象である所定量の試料溶液Ｌが収容され、水溶液中で界面活性剤と結合し、可視〜赤外の光を吸収する所定量の発色指示薬が発色指示薬添加部１１より試料溶液に添加されて混合部Ｍにより攪拌混合され、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部ＳＰとなる光透過部材を有するファイバセンサが設けられ、光透過部材が試料溶液に浸漬する構成となっており、光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源１３と、光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を受光する受光部（スペクトルアナライザ１４）とが設けられた構成とする。
【解決手段】容器１０に界面活性剤の濃度測定対象である所定量の試料溶液Ｌが収容され、水溶液中で界面活性剤と結合し、可視〜赤外の光を吸収する所定量の発色指示薬が発色指示薬添加部１１より試料溶液に添加されて混合部Ｍにより攪拌混合され、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部ＳＰとなる光透過部材を有するファイバセンサが設けられ、光透過部材が試料溶液に浸漬する構成となっており、光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源１３と、光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を受光する受光部（スペクトルアナライザ１４）とが設けられた構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面活性剤濃度測定装置と、これを用いた界面活性剤濃度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
界面活性剤は、洗剤や洗濯時の仕上げ剤などとして広く用いられている一方、排水にも多量に含まれていることから、環境への影響が懸念されている。
このため、河川や湖水などの種々の環境において採取された試料溶液中の界面活性剤を検出し、高精度に濃度を測定する簡便な方法及び装置が求められている。
【０００３】
例えば、試料溶液中のアニオン系の界面活性剤濃度を測定する方法として、以下の方法が知られている。
まず、界面活性剤の濃度を測定する対象である試料溶液に対してメチレンブルーなどの発色指示薬を添加し、クロロホルムやヘキサンなどの有機溶媒を加えて混和させ、発色指示薬と界面活性剤の複合体を有機溶媒に抽出し、静置して水相と有機相に分離する。
次に、有機相の色の濃度を分光光度計などで測定する。有機相の色の濃度は有機相中に抽出された複合体濃度に対応しており、予め調べられた界面活性剤濃度と吸光度との関係と比較することにより、試料溶液中の界面活性剤濃度を測定する。
【０００４】
また、試料溶液中のアニオン系の界面活性剤濃度を測定する方法として、壁面付着法が非特許文献１などに開示されている。
まず、界面活性剤の濃度を測定する対象である試料溶液をポリマー容器に採り、メチレンブルーなどの発色指示薬を添加し、激しく振って混和させ、発色指示薬と界面活性剤の複合体をポリマー容器の内壁に付着させる。
次に、ポリマー容器内の液体を排出し、ポリマー容器の内壁に付着した複合体を所定量のエタノールなどに溶解して集め、エタノール溶液の色の濃度を分光光度計などで測定する。エタノール溶液の吸光度はエタノール溶液中に集められた複合体濃度に対応しており、予め調べられた吸光度と界面活性剤濃度の関係と比較することにより、試料溶液中の界面活性剤濃度を測定する。
【非特許文献１】http://www.soran.net/index_html/A0110014.htm
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の試料溶液に発色指示薬と有機溶媒を混和させて有機相に指示薬を抽出する方法においては、抽出する操作が必要であり、測定する際にも抽出した有機溶媒の吸光度を分光光度計で測定する必要があり、操作が煩雑であるという不利益がある。
【０００６】
また、上記のポリマー容器中で試料溶液と発色指示薬を混和してポリマー容器の内壁に付着した指示薬を集める方法においては、ポリマー容器の内壁に付着した複合体をエタノールなどに溶解して集める操作が必要であり、測定する際にも複合体を抽出したエタノールなどの吸光度を分光光度計で測定する必要があり、操作が煩雑であるという不利益がある。
【０００７】
また、分光光度計を用いずに液体クロマトグラフィーを用いて測定することも可能であるが、この場合においても試料溶液の前処理が必要であることに変わりはなく、さらに野外活動で採集した試料溶液に対する測定をその場で行うことが困難となる。
【０００８】
解決しようとする問題点は、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定することができず、特に野外において容易に実施することができないという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の界面活性剤濃度測定装置は、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液を収容する容器と、水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を前記試料溶液に添加する発色指示薬添加部と、前記試料溶液を攪拌混合する混合部と、光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有し、前記光透過部材が前記試料溶液に浸漬する構成となっているファイバセンサと、前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を受光する受光部とを有する。
【００１０】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、容器に界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液が収容され、発色指示薬添加部により水溶液中で界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬が試料溶液に添加され、混合部により試料溶液が攪拌混合される。
さらに、光ファイバと、光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有するファイバセンサが設けられており、光透過部材が試料溶液に浸漬する構成となっている。
さらに、光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を受光する受光部とが設けられている。
【００１１】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、好適には、受光された前記センサ光から前記試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出する処理部をさらに有する。
【００１２】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、好適には、前記光透過部材が、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である。
あるいは好適には、前記光透過部材が、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である。
【００１３】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、好適には、前記光ファイバがマルチモード光ファイバである。
【００１４】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、好適には、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている。
【００１５】
また、本発明の界面活性剤濃度測定方法は、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液に対して、水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を添加し、混合する工程と、光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有するファイバセンサを用い、前記光透過部材を前記発色指示薬が添加された前記試料溶液に浸漬する工程と、前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を入射する工程と、前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を受光する工程とを有する。
【００１６】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液に対して、水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を添加し、混合する。
次に、光ファイバと、光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有するファイバセンサを用い、光透過部材を発色指示薬が添加された試料溶液に浸漬する。
次に、光ファイバの入射端に対してセンサ光を入射し、光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を受光する。
【００１７】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、好適には、前記センサ光を受光する工程の後に、受光された前記センサ光から前記試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出する工程をさらに有する。
【００１８】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、好適には、前記ファイバセンサとして、前記光透過部材が前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であるファイバセンサを用いる。
あるいは好適には、前記ファイバセンサとして、前記光透過部材が前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材であるファイバセンサを用いる。
【００１９】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、好適には、前記ファイバセンサとして、前記光ファイバがマルチモード光ファイバであるファイバセンサを用いる。
【００２０】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、好適には、前記ファイバセンサとして、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられているファイバセンサを用いる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の界面活性剤濃度測定装置によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、小型化が可能で特に野外において容易に使用できる。
【００２２】
本発明の界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の界面活性剤濃度測定装置及びそれを用いた界面活性剤濃度測定方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の模式構成図である。
例えば、容器１０に、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液Ｌが収容される。容器１０の上方には水溶液中で界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を試料溶液に添加するディスペンサなどの発色指示薬添加部１１が設けられており、試料溶液Ｌに対して所定量の発色指示薬が添加される。発色指示薬が添加された試料溶液Ｌは、混合部Ｍにより十分に攪拌混合される。
【００２５】
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰとなる光透過部材が設けられている。センサ部ＳＰは伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であって、保持部材１２に保持され、試料溶液Ｌに浸漬する構成で設けられている。
【００２６】
また、例えば、光ファイバ２０ａの光入射端に、白色光源などのセンサ光を出射する光源１３が設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出するフォトダイオードやパワーメータなどの受光部を備えたスペクトルアナライザ１４が設けられている。
【００２７】
上記の発色指示薬は、例えば赤外や可視光領域に吸収を有する色素であって、水溶液中で界面活性剤と結合する性質を有するものが用いられる。
界面活性剤は、親水基と疎水基が結合した構造を有している。疎水基は、例えば炭化水素基などからなる。親水基は、例えば水溶液中で負または正に帯電するものや、帯電しないものがある。親水基が負または正に帯電する界面活性剤はアニオン系またはカチオン系の界面活性剤と称せられ、帯電しないタイプは非イオン系界面活性剤と称せられる。
【００２８】
例えば、親水基が負に帯電するアニオン系の界面活性剤に対しては、水溶液中で正に帯電するメチレンブルーなどの発色指示薬が用いられ、また、親水基が正に帯電するカチオン系の界面活性剤に対しては、テトラブロモフェノールフタレインエチルエステル塩などの水溶液中で負に帯電する発色指示薬が用いられる。
上記の水溶液中で正または負に帯電する発色指示薬は、静電的にそれぞれ負または正に帯電する界面活性剤の親水基に結合する。
【００２９】
また、親水基が帯電しないタイプの非イオン系界面活性剤に対しては、チオシアン酸アンモニウムと硝酸コバルトを混合して得られるコバルト錯体を用いる。
【００３０】
図２（ａ）は、本実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
例えば、本実施形態の測定装置に用いられるファイバセンサは、コア径５０μｍのマルチモードファイバである一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂの間に、センサ部ＳＰが設けられた構成である。
センサ部ＳＰは、例えば、伝送する光の一部を外界と相互作用させる光透過部材であるヘテロコア部３である。ヘテロコア部３の表面は疎水性となっている。
【００３１】
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有し、ヘテロコア部３は、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア径と異なるコア径を有するコア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
また、例えば、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝５０μｍ、ｂｌ＝３μｍである。また、ヘテロコア部３の長さｃｌは、１ｍｍ〜数ｃｍである。
センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３と光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、例えば、長手方向に直交する界面４でコア同士が接合するようにほぼ同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。
【００３２】
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）およびヘテロコア部３としては、例えば、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいずれをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００３３】
本実施形態に係るセンサ部ＳＰとなるヘテロコア部３は、表面が疎水性となっている。
例えば、ヘテロコア部３がガラスからなる場合、一般にガラスは親水性の表面となっているが、オクチルトリエトキシシランやオクタデシルトリエトキシシランなどによる疎水化処理を施して、例えば８個以上の炭素鎖を有する炭化水素基などの疎水基をガラスの表面に導入することで、疎水性の表面が実現される。
疎水性の程度としては、ヘテロコア部３の表面に導入する疎水基の性質や量などにも依存するが、例えばオクチルトリエトキシシランで疎水化処理を施した場合には、水の接触角が１００度程度の疎水性となっている。
【００３４】
上記の構成の界面活性剤濃度測定装置を用いた試料溶液中の界面活性剤濃度の測定方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液Ｌを容器１０に収容し、試料溶液Ｌに対して、ディスペンサなどの発色指示薬添加部１１から水溶液中で界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を添加し、不図示の混合部により十分に混合する。図中、界面活性剤Ｓは親水基Ｓ１と疎水基Ｓ２からなることを示している。
【００３５】
上記のように試料溶液Ｌに発色指示薬Ｄを添加して十分に攪拌混合すると、図３（ｂ）に示すように、水溶液中で正または負に帯電する発色指示薬Ｄは、クーロン力によってそれぞれ負または正に帯電する界面活性剤Ｓの親水基Ｓ１に結合する。
ここで、界面活性剤に対して発色指示薬を過剰量添加することにより、実質的に全量の界面活性剤が発色指示薬と結合するようにすることが好ましい。
【００３６】
次に、光ファイバと、光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部ＳＰとなる光透過部材とを有する上述のファイバセンサを用い、光透過部材（センサ部ＳＰ）を発色指示薬が添加された試料溶液Ｌに浸漬する。
【００３７】
図４（ａ）はセンサ部ＳＰの表面の模式構成図である。
センサ部ＳＰの表面は、例えば炭化水素基などの疎水基Ｈが導入されて疎水性となっている。
ここで、上記のように、ファイバセンサのセンサ部ＳＰを発色指示薬Ｄが添加された試料溶液Ｌに浸漬すると、図４（ｂ）に示すように、界面活性剤Ｓの疎水基Ｓ２が、センサ部ＳＰの表面に導入された疎水基Ｈと結合する。
界面活性剤Ｓの親水基Ｓ１には上記のように予め発色指示薬Ｄが結合されていることから、試料溶液Ｌ中の界面活性剤の濃度に応じた量の発色指示薬Ｄがセンサ部ＳＰの表面に吸着、捕捉されることになる。
【００３８】
次に、光源からのセンサ光をファイバセンサを構成する光ファイバの入射端に入射し、光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を受光部で受光する。
ここで、図２（ａ）に示すように、上記の光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４で異なっており、このコア径の差に起因して、図２（ａ）に示すように、光の一部のヘテロコア部３のクラッド３２へのリークＷが発生して、センサ部ＳＰは伝送する光の一部を外界と相互作用させることになる。
【００３９】
上記のように光ファイバにセンサ光が導波している場合は、センサ部においてエバネッセント波が生じており、センサ部ＳＰの表面に発色指示薬が吸着されていると、エバネッセント波のエネルギーの一部が発色指示薬に移り、反射光が減少する。これにより、伝播するセンサ光の強度が低下し、センサ部ＳＰを伝送する光に損失が生じたことになる。
上記のセンサ光の損失は、センサ部の表面に吸着した発色指示薬の量に比例する。従って、試料溶液の界面活性剤濃度と損失の関係を予め調べておくことにより、受光部で受光したセンサ光のスペクトル解析などを通じて得られたセンサ光の損失から、測定対象の試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出することができる。
センサ光を受光して得られるデータからの試料溶液中の界面活性剤の濃度の算出は、コンピュータ上でプログラムを動作させることなどにより行うことができる。
【００４０】
上記において、一度使用したファイバセンサのセンサ部には、発色指示薬と界面活性剤が付着した状態となっているが、水や有機溶媒などで洗浄することで容易に除去することが可能であり、何度でも繰り返し使用できる。
【００４１】
また、本実施形態の界面活性剤濃度測定装置によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、小型化が可能で特に野外において容易に使用できる。
【００４２】
本実施形態の界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００４３】
第２実施形態
センサ部ＳＰとしては、第１実施形態に記載の構成以外の構成を採用することも可能である。
図５（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置に用いられるファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
図５（ａ）では、センサ部ＳＰを構成する光透過部材であるヘテロコア部３のコア３１の径ｂｌが、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌよりも大きな構成となっている。上記のヘテロコア部３の表面は疎水性となっている。
図５（ｂ）では、センサ部ＳＰとして、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の屈折率あるいはクラッド２２の屈折率と同等の屈折率を持つ材料からなる、ヘテロコア部ではない光透過部材３０が光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に接合されてなる構成となっている。上記の光透過部材３０の表面は疎水性となっている。
【００４４】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００４５】
第３実施形態
図６は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、光カプラ１６において光ファイバ２０ｃを分岐する構成であり、光ファイバ２０ｂの端部には銀を蒸着して形成された反射部（鏡）１５が設けられ、光ファイバ２０ａ端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となる。
光ファイバ２０ａの光入射端に光源１３が設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端にスペクトルアナライザ１４が設けられている。
【００４６】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００４７】
特に、反射部１５で反射した光は、再びセンサ部ＳＰを通過するため、一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光が測定されることとなる。
【００４８】
第４実施形態
図７は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａの光入射端に、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどのセンサ光を出射する光源１３ａが設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータ１４ａが設けられている。
レーザダイオードまたは発光ダイオードは単一波長の光を発光するので、受光部には分光しないで光強度をモニタできる光マルチメータを用いることができる。
例えば、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどの発光波長は、発色指示薬の吸収極大となる波長を選択し、光マルチメータでモニタする光強度の減衰から、界面活性剤の濃度に対応する光の損失を感知することができる。
【００４９】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
例えば、光源として発光ダイオードを用い、受光部としてフォトダイオードを用いると、界面活性剤濃度測定装置全体の大きさを大幅に小型化することができ、さらに携帯しやすい構成となる。
【００５０】
第５実施形態
図８は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、光カプラ１６において光ファイバ２０ｃを分岐する構成であり、光ファイバ２０ｂの端部には銀を蒸着して形成された反射部（鏡）１５が設けられ、光ファイバ２０ａ端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となる。
光ファイバ２０ａの光入射端に、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどのセンサ光を出射する光源１３ａが設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータ１４ａが設けられている。
レーザダイオードまたは発光ダイオードは単一波長の光を発光するので、受光部には分光しないで光強度をモニタできる光マルチメータを用いることができる。
例えば、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどの発光波長は、発色指示薬の吸収極大となる波長を選択し、光マルチメータでモニタする光強度の減衰から、界面活性剤の濃度に対応する光の損失を感知することができる。
【００５１】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００５２】
特に、反射部１５で反射した光は、再びセンサ部ＳＰを通過するため、一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光が測定されることとなる。
【００５３】
第６実施形態
図９は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、ＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置７０が接続されている。ＯＴＤＲ装置７０から入射されたセンサ光の後方へのレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置７０自身が検出する。
【００５４】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００５５】
第７実施形態
図１０は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰ１が設けられ、光ファイバ（２０ｂ，２０ｃ）の中途部にセンサ部ＳＰ２が設けられ、さらに光ファイバ（２０ｃ，２０ｄ）の中途部にセンサ部ＳＰ３が設けられている。即ち、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）が１本の光ファイバ上に直列に接続された構成となっている。
光ファイバ２０ａには、ＯＴＤＲ装置７０が接続されている。ＯＴＤＲ装置７０からセンサ光が入射されると、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）のそれぞれにおいて後方へのレイリー散乱光が発生し、これをＯＴＤＲ装置７０が検出する。
【００５６】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
特に、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）で同時に濃度を測定することが可能であり、より精密な計測が可能である。
【００５７】
（実施例）
第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置を構成し、アニオン系の界面活性剤であるドデシルスルホン酸ナトリウムの濃度を０Ｍ、１０−５Ｍ〜１０−３Ｍの種々に変更した試料溶液１ｍｌに対して、発色指示薬として１０−２Ｍの濃度のメチレンブルー溶液２ｍｌを過剰に添加し、混合した。
得られた試料溶液に、第１実施形態に記載のファイバセンサを用いてセンサ部を試料溶液に浸漬し、１０分後のセンサ光の損失を測定した。光源は白色光源、受光部は、スペクトルアナライザを用いた。
【００５８】
図１１は本実施例に係る界面活性剤の濃度を種々に変更したときのセンサ光の損失のスペクトルである。
界面活性剤無添加の試料ａに対して、試料ｂ：６．７×１０−６Ｍ、試料ｃ：１．１×１０−５Ｍ、試料ｄ：４．４×１０−５Ｍ、試料ｅ：６．７×１０−５Ｍ、試料ｆ：１．１×１０−４Ｍ、試料ｇ：６．７×１０−４Ｍという濃度を種々に変更した試料ｂ〜ｇにおいては、濃度が高くなるにつれて光の損失が順に大きくなることを示し、界面活性剤濃度が高いほど損失が大きくなることを示した。
【００５９】
図１２は本実施例に係る界面活性剤の濃度を種々に変更したときのセンサ光の損失の値を濃度に対してプロットしたグラフである。
図１１において、６００ｎｍにおけるセンサ光の損失の値を、試料溶液中の界面活性剤濃度に対してプロットしたものである。界面活性剤濃度が高いほど損失が大きくなることを示した。
【００６０】
本実施形態の界面活性剤濃度測定装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、抽出などの操作が不要で、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
また、１０−５Ｍ程度の薄い濃度まで測定可能であり、界面活性剤濃度が高いほど損失が大きくなることから定量性がある測定を行うことができる。また、試料は少量にも測定することが可能である。
【００６１】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、用いる光源や受光部などは、上述のものに限らず、種々のものを使用できる。
光ファイバはマルチモードファイバでもシングルモードファイバでも使用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の界面活性剤濃度測定装置及び界面活性剤濃度測定方法は、河川や湖水などの種々の環境から採取した試料溶液中の界面活性剤の濃度を測定する装置及び方法として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の模式構成図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置を構成するファイバセンサのセンサ部近傍の斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部近傍の長手方向の断面図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定方法を説明する模式図である。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定方法を説明する模式図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置を構成するファイバセンサのセンサ部近傍の長手方向の断面図である。
【図６】図６は本発明の第３実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図７】図７は本発明の第４実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図８】図８は本発明の第５実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図９】図９は本発明の第６実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は本発明の第７実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１１】図１１は本発明の実施例に係る界面活性剤の濃度を種々に変更したときのセンサ光の損失のスペクトルである。
【図１２】図１２は本発明の実施例に係る界面活性剤の濃度を種々に変更したときのセンサ光の損失の値を濃度に対してプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
３…ヘテロコア部
４…界面
１０…容器
１１…発色指示薬添加部
１２…保持部材
１３，１３ａ…光源
１４…スペクトルアナライザ
１４ａ…光マルチメータ
１５…反射部
１６…光カプラ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…光透過部材
７０…ＯＴＤＲ装置
Ｈ…疎水基
Ｌ…試料溶液
Ｍ…混合部
Ｓ…界面活性剤
Ｓ１…親水基
Ｓ２…疎水基
ＳＰ，ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３…センサ部
Ｗ…リーク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、界面活性剤濃度測定装置と、これを用いた界面活性剤濃度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
界面活性剤は、洗剤や洗濯時の仕上げ剤などとして広く用いられている一方、排水にも多量に含まれていることから、環境への影響が懸念されている。
このため、河川や湖水などの種々の環境において採取された試料溶液中の界面活性剤を検出し、高精度に濃度を測定する簡便な方法及び装置が求められている。
【０００３】
例えば、試料溶液中のアニオン系の界面活性剤濃度を測定する方法として、以下の方法が知られている。
まず、界面活性剤の濃度を測定する対象である試料溶液に対してメチレンブルーなどの発色指示薬を添加し、クロロホルムやヘキサンなどの有機溶媒を加えて混和させ、発色指示薬と界面活性剤の複合体を有機溶媒に抽出し、静置して水相と有機相に分離する。
次に、有機相の色の濃度を分光光度計などで測定する。有機相の色の濃度は有機相中に抽出された複合体濃度に対応しており、予め調べられた界面活性剤濃度と吸光度との関係と比較することにより、試料溶液中の界面活性剤濃度を測定する。
【０００４】
また、試料溶液中のアニオン系の界面活性剤濃度を測定する方法として、壁面付着法が非特許文献１などに開示されている。
まず、界面活性剤の濃度を測定する対象である試料溶液をポリマー容器に採り、メチレンブルーなどの発色指示薬を添加し、激しく振って混和させ、発色指示薬と界面活性剤の複合体をポリマー容器の内壁に付着させる。
次に、ポリマー容器内の液体を排出し、ポリマー容器の内壁に付着した複合体を所定量のエタノールなどに溶解して集め、エタノール溶液の色の濃度を分光光度計などで測定する。エタノール溶液の吸光度はエタノール溶液中に集められた複合体濃度に対応しており、予め調べられた吸光度と界面活性剤濃度の関係と比較することにより、試料溶液中の界面活性剤濃度を測定する。
【非特許文献１】http://www.soran.net/index_html/A0110014.htm
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の試料溶液に発色指示薬と有機溶媒を混和させて有機相に指示薬を抽出する方法においては、抽出する操作が必要であり、測定する際にも抽出した有機溶媒の吸光度を分光光度計で測定する必要があり、操作が煩雑であるという不利益がある。
【０００６】
また、上記のポリマー容器中で試料溶液と発色指示薬を混和してポリマー容器の内壁に付着した指示薬を集める方法においては、ポリマー容器の内壁に付着した複合体をエタノールなどに溶解して集める操作が必要であり、測定する際にも複合体を抽出したエタノールなどの吸光度を分光光度計で測定する必要があり、操作が煩雑であるという不利益がある。
【０００７】
また、分光光度計を用いずに液体クロマトグラフィーを用いて測定することも可能であるが、この場合においても試料溶液の前処理が必要であることに変わりはなく、さらに野外活動で採集した試料溶液に対する測定をその場で行うことが困難となる。
【０００８】
解決しようとする問題点は、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定することができず、特に野外において容易に実施することができないという点である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の界面活性剤濃度測定装置は、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液を収容する容器と、水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を前記試料溶液に添加する発色指示薬添加部と、前記試料溶液を攪拌混合する混合部と、光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有し、前記光透過部材が前記試料溶液に浸漬する構成となっているファイバセンサと、前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を受光する受光部とを有する。
【００１０】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、容器に界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液が収容され、発色指示薬添加部により水溶液中で界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬が試料溶液に添加され、混合部により試料溶液が攪拌混合される。
さらに、光ファイバと、光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有するファイバセンサが設けられており、光透過部材が試料溶液に浸漬する構成となっている。
さらに、光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を受光する受光部とが設けられている。
【００１１】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、好適には、受光された前記センサ光から前記試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出する処理部をさらに有する。
【００１２】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、好適には、前記光透過部材が、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である。
あるいは好適には、前記光透過部材が、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である。
【００１３】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、好適には、前記光ファイバがマルチモード光ファイバである。
【００１４】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定装置は、好適には、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている。
【００１５】
また、本発明の界面活性剤濃度測定方法は、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液に対して、水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を添加し、混合する工程と、光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有するファイバセンサを用い、前記光透過部材を前記発色指示薬が添加された前記試料溶液に浸漬する工程と、前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を入射する工程と、前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を受光する工程とを有する。
【００１６】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液に対して、水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を添加し、混合する。
次に、光ファイバと、光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有するファイバセンサを用い、光透過部材を発色指示薬が添加された試料溶液に浸漬する。
次に、光ファイバの入射端に対してセンサ光を入射し、光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を受光する。
【００１７】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、好適には、前記センサ光を受光する工程の後に、受光された前記センサ光から前記試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出する工程をさらに有する。
【００１８】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、好適には、前記ファイバセンサとして、前記光透過部材が前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であるファイバセンサを用いる。
あるいは好適には、前記ファイバセンサとして、前記光透過部材が前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材であるファイバセンサを用いる。
【００１９】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、好適には、前記ファイバセンサとして、前記光ファイバがマルチモード光ファイバであるファイバセンサを用いる。
【００２０】
上記の本発明の界面活性剤濃度測定方法は、好適には、前記ファイバセンサとして、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられているファイバセンサを用いる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の界面活性剤濃度測定装置によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、小型化が可能で特に野外において容易に使用できる。
【００２２】
本発明の界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の界面活性剤濃度測定装置及びそれを用いた界面活性剤濃度測定方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
第１実施形態
図１は本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の模式構成図である。
例えば、容器１０に、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液Ｌが収容される。容器１０の上方には水溶液中で界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を試料溶液に添加するディスペンサなどの発色指示薬添加部１１が設けられており、試料溶液Ｌに対して所定量の発色指示薬が添加される。発色指示薬が添加された試料溶液Ｌは、混合部Ｍにより十分に攪拌混合される。
【００２５】
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰとなる光透過部材が設けられている。センサ部ＳＰは伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であって、保持部材１２に保持され、試料溶液Ｌに浸漬する構成で設けられている。
【００２６】
また、例えば、光ファイバ２０ａの光入射端に、白色光源などのセンサ光を出射する光源１３が設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出するフォトダイオードやパワーメータなどの受光部を備えたスペクトルアナライザ１４が設けられている。
【００２７】
上記の発色指示薬は、例えば赤外や可視光領域に吸収を有する色素であって、水溶液中で界面活性剤と結合する性質を有するものが用いられる。
界面活性剤は、親水基と疎水基が結合した構造を有している。疎水基は、例えば炭化水素基などからなる。親水基は、例えば水溶液中で負または正に帯電するものや、帯電しないものがある。親水基が負または正に帯電する界面活性剤はアニオン系またはカチオン系の界面活性剤と称せられ、帯電しないタイプは非イオン系界面活性剤と称せられる。
【００２８】
例えば、親水基が負に帯電するアニオン系の界面活性剤に対しては、水溶液中で正に帯電するメチレンブルーなどの発色指示薬が用いられ、また、親水基が正に帯電するカチオン系の界面活性剤に対しては、テトラブロモフェノールフタレインエチルエステル塩などの水溶液中で負に帯電する発色指示薬が用いられる。
上記の水溶液中で正または負に帯電する発色指示薬は、静電的にそれぞれ負または正に帯電する界面活性剤の親水基に結合する。
【００２９】
また、親水基が帯電しないタイプの非イオン系界面活性剤に対しては、チオシアン酸アンモニウムと硝酸コバルトを混合して得られるコバルト錯体を用いる。
【００３０】
図２（ａ）は、本実施形態に係る光ファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
例えば、本実施形態の測定装置に用いられるファイバセンサは、コア径５０μｍのマルチモードファイバである一方の光ファイバ２０ａと他方の光ファイバ２０ｂの間に、センサ部ＳＰが設けられた構成である。
センサ部ＳＰは、例えば、伝送する光の一部を外界と相互作用させる光透過部材であるヘテロコア部３である。ヘテロコア部３の表面は疎水性となっている。
【００３１】
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、コア２１と、その外周部に設けられたクラッド２２とを有し、ヘテロコア部３は、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア径と異なるコア径を有するコア３１と、その外周部に設けられたクラッド３２とを有する。
また、例えば、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌは、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌより小さく、例えばａｌ＝５０μｍ、ｂｌ＝３μｍである。また、ヘテロコア部３の長さｃｌは、１ｍｍ〜数ｃｍである。
センサ部ＳＰを構成するヘテロコア部３と光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）は、例えば、長手方向に直交する界面４でコア同士が接合するようにほぼ同軸に、例えば汎用化されている放電による融着などにより、接合されている。
【００３２】
光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）およびヘテロコア部３としては、例えば、シングルモード光ファイバおよびマルチモード光ファイバのいずれをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００３３】
本実施形態に係るセンサ部ＳＰとなるヘテロコア部３は、表面が疎水性となっている。
例えば、ヘテロコア部３がガラスからなる場合、一般にガラスは親水性の表面となっているが、オクチルトリエトキシシランやオクタデシルトリエトキシシランなどによる疎水化処理を施して、例えば８個以上の炭素鎖を有する炭化水素基などの疎水基をガラスの表面に導入することで、疎水性の表面が実現される。
疎水性の程度としては、ヘテロコア部３の表面に導入する疎水基の性質や量などにも依存するが、例えばオクチルトリエトキシシランで疎水化処理を施した場合には、水の接触角が１００度程度の疎水性となっている。
【００３４】
上記の構成の界面活性剤濃度測定装置を用いた試料溶液中の界面活性剤濃度の測定方法について説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液Ｌを容器１０に収容し、試料溶液Ｌに対して、ディスペンサなどの発色指示薬添加部１１から水溶液中で界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を添加し、不図示の混合部により十分に混合する。図中、界面活性剤Ｓは親水基Ｓ１と疎水基Ｓ２からなることを示している。
【００３５】
上記のように試料溶液Ｌに発色指示薬Ｄを添加して十分に攪拌混合すると、図３（ｂ）に示すように、水溶液中で正または負に帯電する発色指示薬Ｄは、クーロン力によってそれぞれ負または正に帯電する界面活性剤Ｓの親水基Ｓ１に結合する。
ここで、界面活性剤に対して発色指示薬を過剰量添加することにより、実質的に全量の界面活性剤が発色指示薬と結合するようにすることが好ましい。
【００３６】
次に、光ファイバと、光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部ＳＰとなる光透過部材とを有する上述のファイバセンサを用い、光透過部材（センサ部ＳＰ）を発色指示薬が添加された試料溶液Ｌに浸漬する。
【００３７】
図４（ａ）はセンサ部ＳＰの表面の模式構成図である。
センサ部ＳＰの表面は、例えば炭化水素基などの疎水基Ｈが導入されて疎水性となっている。
ここで、上記のように、ファイバセンサのセンサ部ＳＰを発色指示薬Ｄが添加された試料溶液Ｌに浸漬すると、図４（ｂ）に示すように、界面活性剤Ｓの疎水基Ｓ２が、センサ部ＳＰの表面に導入された疎水基Ｈと結合する。
界面活性剤Ｓの親水基Ｓ１には上記のように予め発色指示薬Ｄが結合されていることから、試料溶液Ｌ中の界面活性剤の濃度に応じた量の発色指示薬Ｄがセンサ部ＳＰの表面に吸着、捕捉されることになる。
【００３８】
次に、光源からのセンサ光をファイバセンサを構成する光ファイバの入射端に入射し、光透過部材を介して光ファイバの出射端から出射されるセンサ光を受光部で受光する。
ここで、図２（ａ）に示すように、上記の光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にヘテロコア型のセンサ部ＳＰが接合されてなる構成において、ヘテロコア部３におけるコア３１の径ｂｌと光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌとが界面４で異なっており、このコア径の差に起因して、図２（ａ）に示すように、光の一部のヘテロコア部３のクラッド３２へのリークＷが発生して、センサ部ＳＰは伝送する光の一部を外界と相互作用させることになる。
【００３９】
上記のように光ファイバにセンサ光が導波している場合は、センサ部においてエバネッセント波が生じており、センサ部ＳＰの表面に発色指示薬が吸着されていると、エバネッセント波のエネルギーの一部が発色指示薬に移り、反射光が減少する。これにより、伝播するセンサ光の強度が低下し、センサ部ＳＰを伝送する光に損失が生じたことになる。
上記のセンサ光の損失は、センサ部の表面に吸着した発色指示薬の量に比例する。従って、試料溶液の界面活性剤濃度と損失の関係を予め調べておくことにより、受光部で受光したセンサ光のスペクトル解析などを通じて得られたセンサ光の損失から、測定対象の試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出することができる。
センサ光を受光して得られるデータからの試料溶液中の界面活性剤の濃度の算出は、コンピュータ上でプログラムを動作させることなどにより行うことができる。
【００４０】
上記において、一度使用したファイバセンサのセンサ部には、発色指示薬と界面活性剤が付着した状態となっているが、水や有機溶媒などで洗浄することで容易に除去することが可能であり、何度でも繰り返し使用できる。
【００４１】
また、本実施形態の界面活性剤濃度測定装置によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、小型化が可能で特に野外において容易に使用できる。
【００４２】
本実施形態の界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００４３】
第２実施形態
センサ部ＳＰとしては、第１実施形態に記載の構成以外の構成を採用することも可能である。
図５（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置に用いられるファイバセンサのセンサ部ＳＰ近傍の長手方向の断面図である。
図５（ａ）では、センサ部ＳＰを構成する光透過部材であるヘテロコア部３のコア３１の径ｂｌが、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の径ａｌよりも大きな構成となっている。上記のヘテロコア部３の表面は疎水性となっている。
図５（ｂ）では、センサ部ＳＰとして、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）のコア２１の屈折率あるいはクラッド２２の屈折率と同等の屈折率を持つ材料からなる、ヘテロコア部ではない光透過部材３０が光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部に接合されてなる構成となっている。上記の光透過部材３０の表面は疎水性となっている。
【００４４】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００４５】
第３実施形態
図６は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、光カプラ１６において光ファイバ２０ｃを分岐する構成であり、光ファイバ２０ｂの端部には銀を蒸着して形成された反射部（鏡）１５が設けられ、光ファイバ２０ａ端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となる。
光ファイバ２０ａの光入射端に光源１３が設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端にスペクトルアナライザ１４が設けられている。
【００４６】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００４７】
特に、反射部１５で反射した光は、再びセンサ部ＳＰを通過するため、一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光が測定されることとなる。
【００４８】
第４実施形態
図７は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａの光入射端に、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどのセンサ光を出射する光源１３ａが設けられ、光ファイバ２０ｂの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータ１４ａが設けられている。
レーザダイオードまたは発光ダイオードは単一波長の光を発光するので、受光部には分光しないで光強度をモニタできる光マルチメータを用いることができる。
例えば、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどの発光波長は、発色指示薬の吸収極大となる波長を選択し、光マルチメータでモニタする光強度の減衰から、界面活性剤の濃度に対応する光の損失を感知することができる。
【００４９】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
例えば、光源として発光ダイオードを用い、受光部としてフォトダイオードを用いると、界面活性剤濃度測定装置全体の大きさを大幅に小型化することができ、さらに携帯しやすい構成となる。
【００５０】
第５実施形態
図８は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、光カプラ１６において光ファイバ２０ｃを分岐する構成であり、光ファイバ２０ｂの端部には銀を蒸着して形成された反射部（鏡）１５が設けられ、光ファイバ２０ａ端部が光入射端、光ファイバ２０ｃ端部が光出射端となる。
光ファイバ２０ａの光入射端に、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどのセンサ光を出射する光源１３ａが設けられ、光ファイバ２０ｃの光出射端に光出射端から出射されるセンサ光を検出する光マルチメータ１４ａが設けられている。
レーザダイオードまたは発光ダイオードは単一波長の光を発光するので、受光部には分光しないで光強度をモニタできる光マルチメータを用いることができる。
例えば、レーザダイオードまたは発光ダイオードなどの発光波長は、発色指示薬の吸収極大となる波長を選択し、光マルチメータでモニタする光強度の減衰から、界面活性剤の濃度に対応する光の損失を感知することができる。
【００５１】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００５２】
特に、反射部１５で反射した光は、再びセンサ部ＳＰを通過するため、一方向に通過させただけの光と比較してより多くの相互干渉の情報を含んだ光が測定されることとなる。
【００５３】
第６実施形態
図９は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰが設けられている。
光ファイバ２０ａには、ＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置７０が接続されている。ＯＴＤＲ装置７０から入射されたセンサ光の後方へのレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置７０自身が検出する。
【００５４】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
【００５５】
第７実施形態
図１０は、本実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
例えば、光ファイバ（２０ａ，２０ｂ）の中途部にセンサ部ＳＰ１が設けられ、光ファイバ（２０ｂ，２０ｃ）の中途部にセンサ部ＳＰ２が設けられ、さらに光ファイバ（２０ｃ，２０ｄ）の中途部にセンサ部ＳＰ３が設けられている。即ち、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）が１本の光ファイバ上に直列に接続された構成となっている。
光ファイバ２０ａには、ＯＴＤＲ装置７０が接続されている。ＯＴＤＲ装置７０からセンサ光が入射されると、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）のそれぞれにおいて後方へのレイリー散乱光が発生し、これをＯＴＤＲ装置７０が検出する。
【００５６】
上記以外の構成は、実質的に第１実施形態と同様である。また、センサ部ＳＰとして第２実施形態に示す構成を用いることも可能である。
本実施形態のファイバセンサを用いた界面活性剤装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
特に、複数個のセンサ部（ＳＰ１〜ＳＰ３）で同時に濃度を測定することが可能であり、より精密な計測が可能である。
【００５７】
（実施例）
第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置を構成し、アニオン系の界面活性剤であるドデシルスルホン酸ナトリウムの濃度を０Ｍ、１０−５Ｍ〜１０−３Ｍの種々に変更した試料溶液１ｍｌに対して、発色指示薬として１０−２Ｍの濃度のメチレンブルー溶液２ｍｌを過剰に添加し、混合した。
得られた試料溶液に、第１実施形態に記載のファイバセンサを用いてセンサ部を試料溶液に浸漬し、１０分後のセンサ光の損失を測定した。光源は白色光源、受光部は、スペクトルアナライザを用いた。
【００５８】
図１１は本実施例に係る界面活性剤の濃度を種々に変更したときのセンサ光の損失のスペクトルである。
界面活性剤無添加の試料ａに対して、試料ｂ：６．７×１０−６Ｍ、試料ｃ：１．１×１０−５Ｍ、試料ｄ：４．４×１０−５Ｍ、試料ｅ：６．７×１０−５Ｍ、試料ｆ：１．１×１０−４Ｍ、試料ｇ：６．７×１０−４Ｍという濃度を種々に変更した試料ｂ〜ｇにおいては、濃度が高くなるにつれて光の損失が順に大きくなることを示し、界面活性剤濃度が高いほど損失が大きくなることを示した。
【００５９】
図１２は本実施例に係る界面活性剤の濃度を種々に変更したときのセンサ光の損失の値を濃度に対してプロットしたグラフである。
図１１において、６００ｎｍにおけるセンサ光の損失の値を、試料溶液中の界面活性剤濃度に対してプロットしたものである。界面活性剤濃度が高いほど損失が大きくなることを示した。
【００６０】
本実施形態の界面活性剤濃度測定装置と、それを用いた界面活性剤濃度測定方法によれば、抽出などの操作が不要で、試料溶液中の界面活性剤濃度を簡単に測定でき、特に野外において容易に実施することが可能である。
また、１０−５Ｍ程度の薄い濃度まで測定可能であり、界面活性剤濃度が高いほど損失が大きくなることから定量性がある測定を行うことができる。また、試料は少量にも測定することが可能である。
【００６１】
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、用いる光源や受光部などは、上述のものに限らず、種々のものを使用できる。
光ファイバはマルチモードファイバでもシングルモードファイバでも使用できる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の界面活性剤濃度測定装置及び界面活性剤濃度測定方法は、河川や湖水などの種々の環境から採取した試料溶液中の界面活性剤の濃度を測定する装置及び方法として適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は本発明の第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の模式構成図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置を構成するファイバセンサのセンサ部近傍の斜視図であり、図２（ｂ）はセンサ部近傍の長手方向の断面図である。
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定方法を説明する模式図である。
【図４】図４（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１実施形態に係る界面活性剤濃度測定方法を説明する模式図である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は本発明の第２実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置を構成するファイバセンサのセンサ部近傍の長手方向の断面図である。
【図６】図６は本発明の第３実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図７】図７は本発明の第４実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図８】図８は本発明の第５実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図９】図９は本発明の第６実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は本発明の第７実施形態に係る界面活性剤濃度測定装置の構成を示す模式図である。
【図１１】図１１は本発明の実施例に係る界面活性剤の濃度を種々に変更したときのセンサ光の損失のスペクトルである。
【図１２】図１２は本発明の実施例に係る界面活性剤の濃度を種々に変更したときのセンサ光の損失の値を濃度に対してプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
３…ヘテロコア部
４…界面
１０…容器
１１…発色指示薬添加部
１２…保持部材
１３，１３ａ…光源
１４…スペクトルアナライザ
１４ａ…光マルチメータ
１５…反射部
１６…光カプラ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
３０…光透過部材
７０…ＯＴＤＲ装置
Ｈ…疎水基
Ｌ…試料溶液
Ｍ…混合部
Ｓ…界面活性剤
Ｓ１…親水基
Ｓ２…疎水基
ＳＰ，ＳＰ１，ＳＰ２，ＳＰ３…センサ部
Ｗ…リーク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液を収容する容器と、
水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を前記試料溶液に添加する発色指示薬添加部と、
前記試料溶液を攪拌混合する混合部と、
光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有し、前記光透過部材が前記試料溶液に浸漬する構成となっているファイバセンサと、
前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、
前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を受光する受光部と
を有する界面活性剤濃度測定装置。
【請求項２】
受光された前記センサ光から前記試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出する処理部をさらに有する
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項３】
前記光透過部材が、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項４】
前記光透過部材が、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項５】
前記光ファイバがマルチモード光ファイバである
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項６】
前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、
前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項７】
界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液に対して、水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を添加し、混合する工程と、
光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有するファイバセンサを用い、前記光透過部材を前記発色指示薬が添加された前記試料溶液に浸漬する工程と、
前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を入射する工程と、
前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を受光する工程と
を有する界面活性剤濃度測定方法。
【請求項８】
前記センサ光を受光する工程の後に、受光された前記センサ光から前記試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出する工程をさらに有する
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項９】
前記ファイバセンサとして、前記光透過部材が前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であるファイバセンサを用いる
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項１０】
前記ファイバセンサとして、前記光透過部材が前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材であるファイバセンサを用いる
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項１１】
前記ファイバセンサとして、前記光ファイバがマルチモード光ファイバであるファイバセンサを用いる
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項１２】
前記ファイバセンサとして、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられているファイバセンサを用いる
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項１】
界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液を収容する容器と、
水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を前記試料溶液に添加する発色指示薬添加部と、
前記試料溶液を攪拌混合する混合部と、
光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有し、前記光透過部材が前記試料溶液に浸漬する構成となっているファイバセンサと、
前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を出射する光源と、
前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を受光する受光部と
を有する界面活性剤濃度測定装置。
【請求項２】
受光された前記センサ光から前記試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出する処理部をさらに有する
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項３】
前記光透過部材が、前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部である
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項４】
前記光透過部材が、前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材である
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項５】
前記光ファイバがマルチモード光ファイバである
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項６】
前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、
前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられている
請求項１に記載の界面活性剤濃度測定装置。
【請求項７】
界面活性剤の濃度を測定する対象である所定量の試料溶液に対して、水溶液中で前記界面活性剤と結合し、可視あるいは赤外波長領域の光を吸収する性質を有する所定量の発色指示薬を添加し、混合する工程と、
光ファイバと、前記光ファイバの中途部に設けられ、伝送する光の一部を外界と相互作用させ、表面が疎水性であってセンサ部となる光透過部材とを有するファイバセンサを用い、前記光透過部材を前記発色指示薬が添加された前記試料溶液に浸漬する工程と、
前記光ファイバの入射端に対してセンサ光を入射する工程と、
前記光透過部材を介して前記光ファイバの出射端から出射される前記センサ光を受光する工程と
を有する界面活性剤濃度測定方法。
【請求項８】
前記センサ光を受光する工程の後に、受光された前記センサ光から前記試料溶液中の界面活性剤の濃度を算出する工程をさらに有する
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項９】
前記ファイバセンサとして、前記光透過部材が前記光ファイバのコア径と異なるコア径を有するヘテロコア部であるファイバセンサを用いる
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項１０】
前記ファイバセンサとして、前記光透過部材が前記光ファイバのコアの屈折率あるいはクラッドの屈折率と同等の屈折率を持つ光透過部材であるファイバセンサを用いる
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項１１】
前記ファイバセンサとして、前記光ファイバがマルチモード光ファイバであるファイバセンサを用いる
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【請求項１２】
前記ファイバセンサとして、前記光ファイバの一方の端部が２本に分岐して前記入射端及び前記出射端が設けられ、前記光ファイバの他方の端部に前記光ファイバを伝送する光を反射して前記光ファイバに戻す反射部が設けられているファイバセンサを用いる
請求項７に記載の界面活性剤濃度測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−６３５３８（Ｐ２００９−６３５３８Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３３８３２（Ｐ２００７−２３３８３２）
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【出願人】（５９８１２３１３８）学校法人 創価大学 (49)
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【出願人】（５９８１２３１３８）学校法人 創価大学 (49)
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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