複数の溶存物質の濃度分布測定装置
【目的】 複数の溶存物質の濃度の線方向の分布を単一のセンサと単一の処理部分とで測定し、溶存物質の分布を画像として出力できるようにした複数の溶存物質の濃度分布測定装置を提供すること。
【構成】 半導体基板１の一方の面に異なる物質に応答するようにそれぞれ縦方向に区画された複数のエリア２ａ〜２ｄからなるセンシング部２を形成するとともに、前記半導体基板１に対してプローブ用の光Ｌを照射するように構成した。
【構成】 半導体基板１の一方の面に異なる物質に応答するようにそれぞれ縦方向に区画された複数のエリア２ａ〜２ｄからなるセンシング部２を形成するとともに、前記半導体基板１に対してプローブ用の光Ｌを照射するように構成した。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、液体中あるいは物質中にしみこんだ溶液中の複数の溶存物質の濃度分布を一挙に得ることができる新規な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、液体中の溶存物質の濃度を測定する手段として、ガラス電極、イオン選択性電極などのポテンショメトリックセンサや、バイオセンサなどのアンペロメトリックセンサがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記センサは、高選択性を特長としているが、多種の溶存種の濃度を測定したい場合には、複数のセンサを準備し、個々のセンサからの信号を個々に処理できる複雑な装置を必要とする。
【０００４】また、前記センサによる測定は、測定対象である溶液など液体が十分に攪拌され、溶存物質の分布が均一な状態になっていることを前提としている。このため、溶存物質が液体中で偏って存在したり、ある部分で経時的に変化する様子を計測し、二次元あるいは三次元的に画像として捉えるためには、センサをアレイ化したりセンサ自体を走査させる必要がある。
【０００５】しかしながら、センサをアレイ化するには、センサの小型化が必要であるとともに、センサの数だけの入力チャンネルを備え、かつ得られた信号を処理できる複雑な装置を必要とする。また、センサ自体を走査させる場合には、「測定」と「センサの移動」とを繰り返すが、液体中の溶存物質の濃度分布の多くは時間的な変化が速く、「測定」と「センサの移動」との繰り返しが前記変化の速度に追随しない。いずれにしても、現存のセンサの工夫のみでは困難な点があり、技術的なブレークスルーを必要とする。
【０００６】この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、複数の溶存物質の濃度の線方向の分布を単一のセンサと単一の処理部分とで測定し、溶存物質の分布を画像として出力できるようにした複数の溶存物質の濃度分布測定装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明の複数の溶存物質の濃度分布測定装置は、半導体基板の一方の面に異なる物質に応答するようにそれぞれ縦方向に区画された複数のエリアからなるセンシング部を形成するとともに、前記半導体基板に対してプローブ用の光を照射するように構成したことを特徴としている。
【０００８】
【作用】前記溶存物質の測定には、その二次元分布の計測が可能な、ＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ−Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｏｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ）センサからなる電気化学画像計測装置を用いる。このような装置は、例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３（１９９４）ｐｐＬ３９４−Ｌ３９７に記載してあるように、センシング部の裏面側に光をスキャンし、このスキャンによって半導体中において誘発された光電流を取り出すことにより測定を行うことができる。
【０００９】前記装置のセンシングプレートを直接計測したい対象物質に挿入したり接触させることによって溶存物質の濃度分布を測定する。得られたデータはコンピュータ処理により、二次元または三次元の濃度分布画像として出力される。ある時間での濃度分布のみならず、その変化の様子をリアルタイムに追跡することができる。
【００１０】
【実施例】以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１および図２は、この発明の複数の溶存物質の濃度分布測定装置の主要部である光走査型センシングプレートＳＰの一例を概略的に示すもので、図１において、１はＳｉよりなる半導体基板で、このＳｉ基板１の一方の面にはセンシング部２が形成され、他方の面にはセンシング部２の裏面にプローブ用の光ＬをＸ，Ｙ方向（図２参照）に順次照射する光照射部３が形成されている。
【００１１】センシング部２は、Ｓｉ基板１の例えば上面にＳｉＯ2 層４、Ｓｉ3 Ｎ4 層５を熱酸化、ＣＶＤなどの手法によって順次形成してなるものである。そして、このセンシング部２は、その上面が縦方向（図２のＹ方向）に複数のエリア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに区分され、このうち、エリア２ａ，２ｂ，２ｃは測定エリアであり、例えば、エリア２ａはｐＨに応答するように無修飾とし、エリア２ｂはＣａイオンに応答するようにジアルキルリン酸のカルシウム塩で修飾され、エリア２ｃはＮａイオンに応答するようにクラウンエーテルで修飾されている。また、エリア２ｄは、前記測定エリア２ａ〜２ｃに対して共通に設けられる比較電極部として機能するもので、例えば、実公平４−１６２１６号公報に開示された比較電極と同じ構造を採用することができる。
【００１２】そして、センシング部２を構成する各エリア２ａ〜２ｄは、その幅（図２のＸ方向寸法）が０．１〜０．５ｍｍ、長さ（図２のＹ方向寸法）が１〜１０ｍｍ程度である。ＣＥおよびＲＥはセンシング部２の上方に設けられる対極、比較電極で、後述するポテンショスタット１１に接続されている。また、ＯＣはＳｉ基板１に設けられる信号取出し用のオーミック電極で、ポテンショスタット１１に接続されている。
【００１３】光照射部３は、図２に示すように、複数のＬＥＤ６をＸ，Ｙ方向において例えばそれぞれ等間隔となるように形成した発光体基板７と、この発光体基板７を保持するとともに、ＬＥＤ６を順次点灯するように制御するシフトレジスタ８Ｘ，８Ｙを備えた走査制御部としてのプリント基板９とからなる。
【００１４】センシング部２および光照射部３は、別々に形成されるが、適宜の接着剤を用いたり、陽極接合または直接接合などの手法によって、Ｓｉ基板１のセンシング部２とは反対の面に、発光体基板７が直接接するようにして接合され、これによって複合構造（ハイブリッド構造）の光走査型センシングプレートＳＰが形成される。そして、この光走査型センシングプレートＳＰは水密構造に形成されている。
【００１５】そして、図１において、１０は前記光走査型センシングプレートＳＰの制御装置であって、Ｓｉ基板１に適宜のバイアス電圧を印加するためのポテンショスタット１１、Ｓｉ基板１に形成されたオーミック電極ＯＣから取り出される電流を電圧信号に変換する電流−電圧変換器１２、この電流−電圧変換器１２からの信号が入力されるロックインアンプ１３、ロックインアンプ１３と信号を授受したり、光照射部３に対する制御信号を出力するインターフェイスボード１４などよりなり、センシングプレートＳＰとは伝送ケーブル（図示してない）で接続されている。なお、１５は制御・演算部としてのマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、１５ａは例えばキーボードなどの入力部、１５ｂはＣＲＴなどの表示出力部である。
【００１６】上記構成の測定装置を用いて、例えば、水溶液中の溶存物質、この場合は、ｐＨ、Ｎａ、Ｃａの濃度分布を測定するには、前記光走査型センシングプレートＳＰを、図２における矢印Ｙ方向にして，対極ＣＥとともに水溶液中に浸す。そして、Ｓｉ基板１に空乏層が発生するように、ポテンショスタット１１からの電圧を対極ＣＥとオーミック電極ＯＣとの間に印加して、Ｓｉ基板１に所定のバイアス電圧を印加する。この状態でセンシング部２に対するプローブ光ＬをＳｉ基板１に一定周期（例えば、１０ｋＨｚ）で断続的に照射することにより、Ｓｉ基板１に交流光電流を発生させる。
【００１７】前記光電流量は、Ｓｉ基板１の照射点に対向する点で、センシング部２の測定エリア２ａ〜２ｃに接している水溶液のｐＨおよびＮａイオン、Ｃａイオン濃度を反映した値であり、これらの値を測定することにより、水溶液のｐＨおよびＮａイオン、Ｃａイオン濃度を知ることが可能となる。
【００１８】さらに、プローブ光Ｌは、ＬＥＤ６を順次発光させることによりＸ，Ｙ方向に走査され、測定エリア２ａ〜２ｃにおける位置信号（Ｘ，Ｙ）とその場所で観測された交流光電流値により、図３に示すように、ｐＨ、Ｃａ、Ｎａの濃度を表す二次元画像を得ることができる。つまり、複数の成分の濃度分布を同時に得ることができ、これを同時に表示することができる。
【００１９】図４は、この発明の他の実施例を示し、この実施例の測定装置においては、センシング部２として、ガラス基板１６に、上記測定エリア２ａ〜２ｃおよび比較エリア２ｄを個別に設け、これを光照射部３と接合してハイブリッド構造の光走査型センシングプレートＳＰとしている。この実施例の動作は、上述した実施例と同じであるのでその詳細は省略する。
【００２０】上述の実施例はいずれもハイブリッド構造の光走査型ｐＨ画像装置であったが、この発明はこれに限られるものではなく、一体構造（モノリシック構造）に構成することもできる。
【００２１】また、上述の実施例においては、プローブ光ＬをＳｉ基板１の裏面側から照射するようにしているが、これに代えて、センシング部２側から照射するようにしてもよい。
【００２２】そして、測定エリアの数は任意であり、その表面を修飾する応答物質を適宜選定することにより、任意の溶存物質の分布測定を行なえることはいうまでもない。
【００２３】さらに、測定対象としては、前記溶液のように液体のみならず、土壌中のｐＨを初めとする各溶存物質の濃度をも測定することができる。その場合、光走査型センシングプレートＳＰを対極ＣＥおよび比較電極ＲＥとともに挿入する土壌を適宜湿らしておく必要がある。
【００２４】なお、上述のいずれの実施例においても、比較電極ＲＥを省略することができるが、この比較電極ＲＥを設けていた場合、Ｓｉ基板１に所定のバイアス電圧をより安定に印加することができる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の測定装置によれば、複数の溶存物質の濃度の縦方向の分布を一つのセンサと一つの処理部分で同時に測定することができ、その分布を画像として同時に出力することができる。そして、ある時間での濃度分布のみならず、濃度分布の時間的変化を追跡することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の測定装置の一例を概略的に示す図である。
【図２】前記測定装置の光照射部の構成例を概略的に示す平面図である。
【図３】前記測定装置によって得られる溶存物質の分布画像の一例を示す図である。
【図４】この発明の測定装置の他の例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…センシング部、２ａ〜２ｄ…エリア、Ｌ…プローブ用の光。
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、液体中あるいは物質中にしみこんだ溶液中の複数の溶存物質の濃度分布を一挙に得ることができる新規な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、液体中の溶存物質の濃度を測定する手段として、ガラス電極、イオン選択性電極などのポテンショメトリックセンサや、バイオセンサなどのアンペロメトリックセンサがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記センサは、高選択性を特長としているが、多種の溶存種の濃度を測定したい場合には、複数のセンサを準備し、個々のセンサからの信号を個々に処理できる複雑な装置を必要とする。
【０００４】また、前記センサによる測定は、測定対象である溶液など液体が十分に攪拌され、溶存物質の分布が均一な状態になっていることを前提としている。このため、溶存物質が液体中で偏って存在したり、ある部分で経時的に変化する様子を計測し、二次元あるいは三次元的に画像として捉えるためには、センサをアレイ化したりセンサ自体を走査させる必要がある。
【０００５】しかしながら、センサをアレイ化するには、センサの小型化が必要であるとともに、センサの数だけの入力チャンネルを備え、かつ得られた信号を処理できる複雑な装置を必要とする。また、センサ自体を走査させる場合には、「測定」と「センサの移動」とを繰り返すが、液体中の溶存物質の濃度分布の多くは時間的な変化が速く、「測定」と「センサの移動」との繰り返しが前記変化の速度に追随しない。いずれにしても、現存のセンサの工夫のみでは困難な点があり、技術的なブレークスルーを必要とする。
【０００６】この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、複数の溶存物質の濃度の線方向の分布を単一のセンサと単一の処理部分とで測定し、溶存物質の分布を画像として出力できるようにした複数の溶存物質の濃度分布測定装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明の複数の溶存物質の濃度分布測定装置は、半導体基板の一方の面に異なる物質に応答するようにそれぞれ縦方向に区画された複数のエリアからなるセンシング部を形成するとともに、前記半導体基板に対してプローブ用の光を照射するように構成したことを特徴としている。
【０００８】
【作用】前記溶存物質の測定には、その二次元分布の計測が可能な、ＬＡＰＳ（Ｌｉｇｈｔ−Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｏｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ）センサからなる電気化学画像計測装置を用いる。このような装置は、例えば、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３３（１９９４）ｐｐＬ３９４−Ｌ３９７に記載してあるように、センシング部の裏面側に光をスキャンし、このスキャンによって半導体中において誘発された光電流を取り出すことにより測定を行うことができる。
【０００９】前記装置のセンシングプレートを直接計測したい対象物質に挿入したり接触させることによって溶存物質の濃度分布を測定する。得られたデータはコンピュータ処理により、二次元または三次元の濃度分布画像として出力される。ある時間での濃度分布のみならず、その変化の様子をリアルタイムに追跡することができる。
【００１０】
【実施例】以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１および図２は、この発明の複数の溶存物質の濃度分布測定装置の主要部である光走査型センシングプレートＳＰの一例を概略的に示すもので、図１において、１はＳｉよりなる半導体基板で、このＳｉ基板１の一方の面にはセンシング部２が形成され、他方の面にはセンシング部２の裏面にプローブ用の光ＬをＸ，Ｙ方向（図２参照）に順次照射する光照射部３が形成されている。
【００１１】センシング部２は、Ｓｉ基板１の例えば上面にＳｉＯ2 層４、Ｓｉ3 Ｎ4 層５を熱酸化、ＣＶＤなどの手法によって順次形成してなるものである。そして、このセンシング部２は、その上面が縦方向（図２のＹ方向）に複数のエリア２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄに区分され、このうち、エリア２ａ，２ｂ，２ｃは測定エリアであり、例えば、エリア２ａはｐＨに応答するように無修飾とし、エリア２ｂはＣａイオンに応答するようにジアルキルリン酸のカルシウム塩で修飾され、エリア２ｃはＮａイオンに応答するようにクラウンエーテルで修飾されている。また、エリア２ｄは、前記測定エリア２ａ〜２ｃに対して共通に設けられる比較電極部として機能するもので、例えば、実公平４−１６２１６号公報に開示された比較電極と同じ構造を採用することができる。
【００１２】そして、センシング部２を構成する各エリア２ａ〜２ｄは、その幅（図２のＸ方向寸法）が０．１〜０．５ｍｍ、長さ（図２のＹ方向寸法）が１〜１０ｍｍ程度である。ＣＥおよびＲＥはセンシング部２の上方に設けられる対極、比較電極で、後述するポテンショスタット１１に接続されている。また、ＯＣはＳｉ基板１に設けられる信号取出し用のオーミック電極で、ポテンショスタット１１に接続されている。
【００１３】光照射部３は、図２に示すように、複数のＬＥＤ６をＸ，Ｙ方向において例えばそれぞれ等間隔となるように形成した発光体基板７と、この発光体基板７を保持するとともに、ＬＥＤ６を順次点灯するように制御するシフトレジスタ８Ｘ，８Ｙを備えた走査制御部としてのプリント基板９とからなる。
【００１４】センシング部２および光照射部３は、別々に形成されるが、適宜の接着剤を用いたり、陽極接合または直接接合などの手法によって、Ｓｉ基板１のセンシング部２とは反対の面に、発光体基板７が直接接するようにして接合され、これによって複合構造（ハイブリッド構造）の光走査型センシングプレートＳＰが形成される。そして、この光走査型センシングプレートＳＰは水密構造に形成されている。
【００１５】そして、図１において、１０は前記光走査型センシングプレートＳＰの制御装置であって、Ｓｉ基板１に適宜のバイアス電圧を印加するためのポテンショスタット１１、Ｓｉ基板１に形成されたオーミック電極ＯＣから取り出される電流を電圧信号に変換する電流−電圧変換器１２、この電流−電圧変換器１２からの信号が入力されるロックインアンプ１３、ロックインアンプ１３と信号を授受したり、光照射部３に対する制御信号を出力するインターフェイスボード１４などよりなり、センシングプレートＳＰとは伝送ケーブル（図示してない）で接続されている。なお、１５は制御・演算部としてのマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、１５ａは例えばキーボードなどの入力部、１５ｂはＣＲＴなどの表示出力部である。
【００１６】上記構成の測定装置を用いて、例えば、水溶液中の溶存物質、この場合は、ｐＨ、Ｎａ、Ｃａの濃度分布を測定するには、前記光走査型センシングプレートＳＰを、図２における矢印Ｙ方向にして，対極ＣＥとともに水溶液中に浸す。そして、Ｓｉ基板１に空乏層が発生するように、ポテンショスタット１１からの電圧を対極ＣＥとオーミック電極ＯＣとの間に印加して、Ｓｉ基板１に所定のバイアス電圧を印加する。この状態でセンシング部２に対するプローブ光ＬをＳｉ基板１に一定周期（例えば、１０ｋＨｚ）で断続的に照射することにより、Ｓｉ基板１に交流光電流を発生させる。
【００１７】前記光電流量は、Ｓｉ基板１の照射点に対向する点で、センシング部２の測定エリア２ａ〜２ｃに接している水溶液のｐＨおよびＮａイオン、Ｃａイオン濃度を反映した値であり、これらの値を測定することにより、水溶液のｐＨおよびＮａイオン、Ｃａイオン濃度を知ることが可能となる。
【００１８】さらに、プローブ光Ｌは、ＬＥＤ６を順次発光させることによりＸ，Ｙ方向に走査され、測定エリア２ａ〜２ｃにおける位置信号（Ｘ，Ｙ）とその場所で観測された交流光電流値により、図３に示すように、ｐＨ、Ｃａ、Ｎａの濃度を表す二次元画像を得ることができる。つまり、複数の成分の濃度分布を同時に得ることができ、これを同時に表示することができる。
【００１９】図４は、この発明の他の実施例を示し、この実施例の測定装置においては、センシング部２として、ガラス基板１６に、上記測定エリア２ａ〜２ｃおよび比較エリア２ｄを個別に設け、これを光照射部３と接合してハイブリッド構造の光走査型センシングプレートＳＰとしている。この実施例の動作は、上述した実施例と同じであるのでその詳細は省略する。
【００２０】上述の実施例はいずれもハイブリッド構造の光走査型ｐＨ画像装置であったが、この発明はこれに限られるものではなく、一体構造（モノリシック構造）に構成することもできる。
【００２１】また、上述の実施例においては、プローブ光ＬをＳｉ基板１の裏面側から照射するようにしているが、これに代えて、センシング部２側から照射するようにしてもよい。
【００２２】そして、測定エリアの数は任意であり、その表面を修飾する応答物質を適宜選定することにより、任意の溶存物質の分布測定を行なえることはいうまでもない。
【００２３】さらに、測定対象としては、前記溶液のように液体のみならず、土壌中のｐＨを初めとする各溶存物質の濃度をも測定することができる。その場合、光走査型センシングプレートＳＰを対極ＣＥおよび比較電極ＲＥとともに挿入する土壌を適宜湿らしておく必要がある。
【００２４】なお、上述のいずれの実施例においても、比較電極ＲＥを省略することができるが、この比較電極ＲＥを設けていた場合、Ｓｉ基板１に所定のバイアス電圧をより安定に印加することができる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の測定装置によれば、複数の溶存物質の濃度の縦方向の分布を一つのセンサと一つの処理部分で同時に測定することができ、その分布を画像として同時に出力することができる。そして、ある時間での濃度分布のみならず、濃度分布の時間的変化を追跡することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の測定装置の一例を概略的に示す図である。
【図２】前記測定装置の光照射部の構成例を概略的に示す平面図である。
【図３】前記測定装置によって得られる溶存物質の分布画像の一例を示す図である。
【図４】この発明の測定装置の他の例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、２…センシング部、２ａ〜２ｄ…エリア、Ｌ…プローブ用の光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 半導体基板の一方の面に異なる物質に応答するようにそれぞれ縦方向に区画された複数のエリアからなるセンシング部を形成するとともに、前記半導体基板に対してプローブ用の光を照射するように構成したことを特徴とする複数の溶存物質の濃度分布測定装置。
【請求項１】 半導体基板の一方の面に異なる物質に応答するようにそれぞれ縦方向に区画された複数のエリアからなるセンシング部を形成するとともに、前記半導体基板に対してプローブ用の光を照射するように構成したことを特徴とする複数の溶存物質の濃度分布測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開平８−３２０３０１
【公開日】平成８年（１９９６）１２月３日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平８−９３０６４
【出願日】平成８年（１９９６）３月２２日
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
【公開日】平成８年（１９９６）１２月３日
【国際特許分類】
【出願日】平成８年（１９９６）３月２２日
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
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