(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類錯体と硫酸キニーネを含有し、可視光に対して透明な固体状マトリックスからなり、pH 4以下の水溶液中において、pHおよび塩化物イオン濃度に呼応した蛍光を発することを特徴とする材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【請求項２】
希土類錯体が、カルボキシル基を有する含窒素複素環式化合物を配位子とすることを特徴とする請求項１記載の材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【請求項３】
固体状マトリックスが、ポリビニルアルコールを含有し、かつケイ素化合物を原料としてゾルゲル法により作製されたものであることを特徴とする請求項１あるいは２記載の材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【請求項４】
ケイ素化合物として、オルトケイ酸テトラメチルを原料として含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【請求項５】
固体状マトリックスが石英上に形成された表面層であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【請求項６】
希土類錯体が、ジピコリン酸を配位子とするテルビウムの３価のイオン（Ｔｂ３＋）の錯体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水溶液中の材料表面の水素イオン濃度(pH)と塩化物イオン濃度の分布や、その経時変化を画像や動画として計測するための蛍光イメージングデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素イオン濃度(pH)と塩化物イオン濃度は、水溶液中の電気化学反応や材料表面の電気化学的な状態を支配する重要なパラメータである。例えば、代表的な電気化学現象である金属腐食は、塩化物イオン濃度が低い場合、中性領域では不働態を示し腐食速度は非常に低いが、酸性域では活性溶解が生じ腐食速度が著しく増大する。しかし、塩化物イオンが存在すると、中性領域でも孔食やすき間腐食などの局部腐食を生じ、腐食速度が増大する。また、孔食やすき間腐食などの局部腐食が生じている部分の液性は、沖合の水溶液とは異なり、pHが極端に低下し、塩化物イオンも濃縮していると言われている。このように、水溶液中での電気化学反応を解析するためには、pHと塩化物イオン濃度を同時に計測する必要がある。しかも、pHと塩化物イオン濃度の分布や、その経時変化を静止画や動画として捉えることも必要である。
【０００３】
ところで、水溶液内のpHや塩化物イオン濃度の分布を画像化する手法としては、蛍光イメージング法が生物学の分野を中心に広く用いられている。これは、pHや塩化物イオンに感応する蛍光試薬を、水溶液中や細胞内に導入し、励起光を照射した際に生じる蛍光の強度や波長の変化からpHや塩化物イオン濃度の値や分布を画像として記録・計測するものである。
【０００４】
pHに感応する蛍光試薬としては、フルオレセインやフルオレセイン骨格を有する化合物が広く一般的に使用されている。例えば、特開2001-305060号公報には、フルオレセイン系化合物をプロトン感受性蛍光物質として固定化物質と化学結合させたpH値測定素子が開示されている。また、特開2010-169458号公報には、微小な窒化ホウ素にビオチン−フルオレセインを付着させたpH感知用材料が開示されている。一方、塩化物イオンに感応する蛍光試薬としては、6-メトキシ-1-エチルキノリニウム・アイオダイド、6-メトキシ-1-(3-スルホプロピル)キノリニウム、3-(10-メチルアクリジニウム-9-イル)プロピル酸四フッ化ホウ酸塩、3,6-ビス(ジメチルアミン)アクリジンなどが知られている。特開平8-128957号公報には、3,6-ビス(ジメチルアミン)アクリジン誘導体を塩化物イオン感応蛍光物質とし、これをポリアクリルアミドなどの高分子膜担体などに担持した化学センサーが開示されている。しかし、pHと塩化物イオン濃度を同時にイメージングする手法は知れていない。これは、pH感応試薬と塩化物イオン感応試薬を混合した際に想定される試薬相互の妨害現象(干渉作用)や、二つの試薬の蛍光が近いなどの問題に加え、広い濃度範囲で厳密にpHのみ、塩化物イオン濃度のみに感応する試薬が少なく、どのような試薬の組み合わせが、どのような液性条件下で、pHおよび塩化物イオン濃度に呼応した蛍光を発するのかが具体的に開示されていないためである。さらに、pH 5〜8の領域では、pHや塩化物イオンに感応する蛍光試薬は多数知られているが、酸性水溶液中で、pHや塩化物イオン濃度に感応する試薬は多くはない。
【０００５】
ところで、水溶液中の電気化学反応に及ぼすpHや塩化物イオン濃度の影響を把握するためには、電極などの材料表面の液性を解析する必要がある。材料表面の液性を解析するためには、pHや塩化物イオン濃度に感応する試薬を固体状マトリックス内に添加し、その固体状マトリックスを水溶液中において材料表面に近接させることが好ましい。しかし、pHおよび塩化物イオン濃度に呼応した蛍光を得るために、どのような固体状マトリックスと、どのような蛍光試薬の組み合わせが好適であるのかは不明である。また、材料表面の液性解析に際しては、可視光を光源とした通常の光学顕微鏡観察をpHや塩化物イオン濃度の解析と同時に行う必要がある。そのためには、固体状マトリックスが可視光に対して透明であることが好適であるが、それを達成するための具体的な試薬は明らかにされていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、その目的とするところは、水溶液中の材料表面のpHと塩化物イオン濃度の分布や、その経時変化を画像や動画として計測するための蛍光イメージングデバイスの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、このような従来技術の限界を克服し、未解決の課題を解決するため種々の試験研究を行い、本発明を完成させた。本発明の主旨は、以下の通りである。
【０００８】
（１）希土類錯体と硫酸キニーネを含有し、可視光に対して透明な固体状マトリックスからなり、pH 4以下の水溶液中において、pHおよび塩化物イオン濃度に呼応した蛍光を発することを特徴とする材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【０００９】
（２）上記（１）の蛍光イメージングデバイスにおいて、希土類錯体が、カルボキシル基を有する含窒素複素環式化合物を配位子とすることを特徴とする材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【００１０】
（３）上記（１）あるいは（２）の蛍光イメージングデバイスにおいて、固体状マトリックスが、ポリビニルアルコールを含有し、かつケイ素化合物を原料としてゾルゲル法により作製されたものであることを特徴とする材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【００１１】
（４）上記（１）〜（３）のいずれかの蛍光イメージングデバイスにおいて、ケイ素化合物として、オルトケイ酸テトラメチルを原料として含有することを特徴とする材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【００１２】
（５）上記（１）〜（４）のいずれかの蛍光イメージングデバイスにおいて、固体状マトリックスが石英上に形成された表面層であることを特徴とする材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【００１３】
（６）上記（１）〜（５）のいずれかの蛍光イメージングデバイスにおいて、希土類錯体が、ジピコリン酸を配位子とするテルビウムの３価のイオン(Ｔｂ３＋)の錯体であることを特徴とする材料表面の液性解析用蛍光イメージングデバイス。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、水溶液中の材料表面のpHと塩化物イオン濃度の分布や、その経時変化を画像や動画として計測するための蛍光イメージングデバイスの提供にある。本発明によれば、pH 4以下の酸性水溶液中において、材料表面のpHと塩化物イオン濃度の分布と、その経時変化を画像として計測することが可能である。また、pHと塩化物イオン濃度の分布と共に、材料表面の外観変化も通常の可視光を光源とするカメラや実体顕微鏡、光学顕微鏡などで撮影することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】pH 3.0の硫酸キニーネ水溶液を347nmの紫外光で励起した際の蛍光スペクトルを示した図。
【図２】pH 3.0の硫酸キニーネ水溶液を347nmの紫外光で励起した際の蛍光ピーク波長457nmの相対強度と塩化物イオン濃度との関係を示した図。
【図３】ジピコリン酸−テルビウム錯体の水溶液（塩化物イオンを含まない）を272nmの紫外線で励起した際の蛍光スペクトルを示した図。
【図４】ジピコリン酸−テルビウム錯体の水溶液（塩化物イオンを含まない）を272nmの紫外線で励起した際の蛍光ピーク波長544nmの相対強度とpHとの関係を示した図。
【図５】ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含む寒天板を白金板にのせた際の外観を可視光で撮影した写真。
【図６】ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含む寒天板の紫外線励起と蛍光画像撮影方法の概念図。
【図７】ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含む寒天板の硫酸キニーネの蛍光輝度Yと塩化物イオン濃度との関係を示した図。
【図８】ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含む寒天板のジピコリン酸−テルビウム錯体の蛍光輝度YとpHとの関係を示した図。
【図９】ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含むポリビニルアルコール含有含水二酸化ケイ素層を有する石英板を白金板にのせた際の外観を可視光で撮影した写真。
【図１０】ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含むポリビニルアルコール含有含水二酸化ケイ素層を有する石英板に対する紫外線励起と蛍光画像撮影方法の概念図。
【図１１】ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含むポリビニルアルコール含有含水二酸化ケイ素層を有する石英板の硫酸キニーネの蛍光輝度Yと塩化物イオン濃度との関係を示した図。
【図１２】ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含むポリビニルアルコール含有含水二酸化ケイ素層を有する石英板のジピコリン酸−テルビウム錯体の蛍光輝度YとpHとの関係を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
はじめに、硫酸キニーネの塩化物イオン感応特性について述べる。硫酸キニーネの水溶液は、可視光に対して無色透明である。また、図１に示したように、pH 4以下の酸性域で、硫酸キニーネは347nmの紫外光の励起により451nmにピーク波長を有する水色の蛍光を生じる。そして、この蛍光強度は、図２に示したように、塩化物イオン濃度の増加と共に低下する。このように、硫酸キニーネはpH 4以下において、蛍光強度が塩化物イオン濃度に依存するという特性がある。しかし、蛍光強度は、pHには依存しにくい。この現象を利用することにより、硫酸キニーネの蛍光強度の変化から塩化物イオン濃度を計測することが可能である。また、硫酸キニーネは紫外線を長時間照射しても、蛍光が消光しないという特性を有している。このため、液性解析用蛍光イメージングデバイスの塩化物イオン感応蛍光試薬は、硫酸キニーネとした。
【００１７】
次いで、希土類錯体のpH感応特性について述べる。一般に、希土類錯体の水溶液は、可視光に対して無色透明である。また、紫外線を照射した際に、その蛍光強度がpHに依存して変化するという特性がある。しかも、蛍光強度は、塩化物イオン濃度に依存して変化しにくいという特性もある。図３に、ジピコリン酸を配位子とするテルビウムの３価のイオンの錯体（以下、ジピコリン酸−テルビウム錯体と呼称する）の水溶液を272nmの紫外線で励起した際の蛍光スペクトルを示す。また、図４に示すように、蛍光スペクトルのピーク波長544nmの蛍光強度はpHに依存して変化する。この現象を利用することにより、塩化物イオン濃度を計測することが可能である。また、希土類錯体は紫外線を長時間照射しても、蛍光が消光しないという特性を有している。このため、液性解析用蛍光イメージングデバイスのpH感応蛍光試薬は、希土類錯体とした。
【００１８】
本願での希土類錯体としては、金属イオンと配位子の組み合わせを限定するものではないが、特に高い感度でのpH測定を必要とする際は、ジピコリン酸を配位子とするテルビウムの３価のイオンとの錯体が最も望ましい。次いで、ピコリン酸、ニコチン酸、4-ヒドロキシ-3-ピリジンカルボン酸、6-メチル-2-ピリジンカルボン酸メチルなどのカルボキシル基を有する含窒素複素環式化合物を配位子とすることが望ましい。中心金属イオンとしては、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム のいずれであっても構わない。
【００１９】
水溶液中の材料表面のpHと塩化物イオン濃度の分布や、その経時変化を画像や動画として計測するための蛍光イメージングデバイスは、可視光に対して透明な固体状マトリックスであり、これが硫酸キニーネと希土類錯体を含有している必要がある。これは、材料表面の液性解析に際しては、可視光を光源とした通常の光学顕微鏡観察をpHや塩化物イオン濃度の解析と同時に行う必要があり、そのため、固体状マトリックスが可視光に対して透明であることが必要であるためである。
【００２０】
可視光に対して透明な固体状マトリックスとしては、具体的には、寒天、ゼラチン、ゾルゲル法で作製したゲル状の含水二酸化ケイ素、ゲル状のポリアクリル酸ナトリウム、ポリビニルアルコール含水ゲルなどがあげられ、特定の物質に限定するものではない。しかし、特に高い精度でのpHと塩化物イオン濃度を測定する必要がある際には、ポリビニルアルコールを含有し、かつケイ素化合物を原料としてゾルゲル法により作製されたものであることが望ましく、さらにはケイ素化合物として、オルトケイ酸テトラメチルを原料として含有していることが最も好適である。ポリビニルアルコールを含有し、かつケイ素化合物を原料としてゾルゲル法により作製されたものは、pHと塩化物イオン濃度の精度向上に加え、透明な固体状マトリックスが割れにくく、材料表面の液性解析を行う上で、蛍光イメージングデバイスの取り扱いが容易で好都合であるという利点も存在する。さらに、ケイ素化合物として、オルトケイ酸テトラメチルを原料として含有している場合には、耐割れ性に加え、pHと塩化物イオン濃度に対する感度が非常に良好になると共に、pH計測の際の塩化物イオンによる妨害、塩化物イオン濃度を計測する際のpHによる妨害を受けにくくなる。
【００２１】
さらに、金属電極表面のすき間に伴う液性変化を解析する場合など、蛍光イメージングデバイスを材料表面に押しつける必要が有る場合には、固体状マトリックスが石英上に形成された表面層であることが好適である。石英は可視光に対して無色透明であり、かつ硫酸キニーネと希土類錯体の励起に使用する紫外線も透過する性質がある。また、石英は強度が高いため、ゾルゲル法で作製された表面層を担持するには好適である。
【００２２】
以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明するが、本発明は実施例の記載に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２３】
純水40mL、0.01M水酸化ナトリウム40mL、ジピコリン酸0.0344gを混合して、すべての試薬が完全に溶解するまで撹拌した。その後、この混合溶液20mLに、硫酸テルビウム0.025gと硫酸キニーネ0.005gを加え、これらが完全に溶解するまで撹拌した。そして、寒天粉末0.4gを加えて95℃に加熱した後に、その溶液をスライドガラスの表面に滴下・冷却し、厚さ約500μmのジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含む寒天板を作製した。充分に室温まで冷却した後に、スライドガラスから、寒天板を剥離した。作製した寒天板の外観写真を、図５に示す。これは、寒天板を白金板の上にのせた状態である。寒天板が可視光に対して透明であることが分かる。
【００２４】
図６に示す構成の装置で、白金板表面の水溶液膜(試験液)のpHと塩化物イオン濃度と、寒天板の蛍光色および輝度との関係を計測した。計測時の水溶液膜の厚さは、約5μmとした。試験液としては、硫酸でpHを調整した0.01M NaCl水溶液(pH 3.0、2.0、1.0、0.5)、0.1M NaCl水溶液(pH 3.0、2.0、1.0、0.5)、1M NaCl水溶液(pH 3.0、2.0、1.0、0.5)、4M NaCl水溶液(pH 3.0、2.0、1.0、0.5)を使用した。試験液を交換する際は、寒天板を白金板から剥離し、純水で洗浄し、その後、次に計測する試験液で共洗いを行った後、白金板の表面に配置した。その際、寒天板を白金板の表面に置く前に、白金板表面に試験液をのせて、寒天板と白金板で溶液を挟むようにした。
【００２５】
寒天板への紫外線の照射は、蛍光顕微鏡の光源とは異なるキセノンランプを光源とした。硫酸キニーネを励起する際は、バンドパスフィルターを通して中心波長350nmで半値幅10nmの紫外線を、ジピコリン酸−テルビウム錯体を励起する際は、バンドパスフィルターを通して中心波長270nmで半値幅10nmの紫外線を照射した。そして、寒天板からの蛍光は、蛍光顕微鏡内に配置した光学フィルターを通して、CCDカメラで画像として記録した。硫酸キニーネからの蛍光は透過域420nm以上、ジピコリン酸−テルビウム錯体からの蛍光は透過域510〜550nmの光学フィルターを使用して画像として記録した。画像のR(レッド)、G(グリーン)、B(ブルー)の各信号値から、Y=0.299R＋0.587G＋0.114Bの関係を使い、蛍光輝度Yを算出した。図７に、塩化物イオン濃度と硫酸キニーネの蛍光輝度Yとの関係を示す。pHが既知であれば塩化物イオン濃度を算出できることが分かる。図８に、pHと、ジピコリン酸−テルビウム錯体の蛍光輝度Yとの関係を示す。塩化物イオン濃度に関係なく、pHを算出できることが分かる。この二つの関係を利用することで、材料表面のpHと塩化物イオン濃度を解析できることが分かる。紫外線励起用のバンドパスフィルターと、特定の波長の蛍光のみを透過させる光学フィルターの切り替えは、瞬時に行うことが可能であり、ほぼ同時に水溶液中の材料表面のpHと塩化物イオン濃度を画像として解析できる。なお、本願でいう「同時」とは、蛍光励起や蛍光透過フィルターを交換する程度の時間差を含む。
【実施例２】
【００２６】
純水40mL、0.01M水酸化ナトリウム40mL、ジピコリン酸0.0344gを混合して、すべての試薬が完全に溶解するまで撹拌した。その後、この混合溶液20mLに、硫酸テルビウム0.025gと硫酸キニーネ0.005gを加え、これらが完全に溶解するまで撹拌した。この溶液をA液とする。ポリビニルアルコール0.1gを純水10mLに溶解した溶液を1mL、オルトケイ酸テトラメチル2mL、エタノール1mL、0.05M硫酸1mLを混合し、20分以上撹拌した。この溶液に、先のA液を1mL加え、10分以上撹拌した。この溶液を石英板の表面に滴下し、スピンコート法(回転数：1000回/分、30秒間)により、厚さ約10μmで、ジピコリン酸−テルビウム錯体および硫酸キニーネを含むポリビニルアルコール含有含水二酸化ケイ素層(以下、PVA含有SiO2ゲル層と呼称する)を石英板の片面に作製した。作製したゲル層を表面層とする石英板の外観写真を、図９に示す。これは、ゲル層を表面層とする石英板を白金板の上にのせた状態である。この場合、白金板の大きさは、石英板よりも小さいが、ゲル層と石英板が可視光に対して透明であるため、石英板の上に白金板が置いてあるように見える。このように、ゲル層が可視光に対して透明であることが分かる。この写真の場合、ゲル層は、白金板と接触する面に形成してある。
【００２７】
図１０に示した構成の装置で、白金板表面の水溶液膜(試験液)のpHと塩化物イオン濃度と、PVA含有SiO2ゲル層の蛍光色および輝度との関係を計測した。計測時の水溶液膜の厚さは、約5μmとした。試験液としては、硫酸でpHを調整した0.01M NaCl水溶液(pH 3.0、2.0、1.0、0.5)、0.1M NaCl水溶液(pH 3.0、2.0、1.0、0.5)、1M NaCl水溶液(pH 3.0、2.0、1.0、0.5)、4M NaCl水溶液(pH 3.0、2.0、1.0、0.5)を使用した。試験液を交換する際は、PVA含有SiO2ゲル層を有する石英板を白金板から剥離し、純水で洗浄し、その後、次に計測する試験液で共洗いを行った後、白金板の表面に配置した。その際、PVA含有SiO2ゲル層を有する石英板を白金板の表面に置く前に、白金板表面に試験液をのせて、PVA含有SiO2ゲル層を有する石英板と白金板で溶液を挟むようにした。
【００２８】
PVA含有SiO2ゲル層を有する石英板への紫外線の照射は、実施例１に記載したものと同じ方法で行った。そして、CCDカメラにより記録した画像のR(レッド)、G(グリーン)、B(ブルー)の各信号値から、Y=0.299R＋0.587G＋0.114Bの関係を使い、蛍光輝度Yを算出した。図１１に、PVA含有SiO2ゲル層を有する石英板の硫酸キニーネの蛍光輝度Yと塩化物イオン濃度との関係を示す。pHに関係なく、塩化物イオン濃度を算出できることが分かる。図１２に、PVA含有SiO2ゲル層を有する石英板のジピコリン酸−テルビウム錯体の蛍光輝度YとpHとの関係を示す。塩化物イオン濃度に関係なく、pHを算出できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の活用例としては、ステンレス鋼などの金属腐食の初期過程での材料表面のpHと塩化物イオン濃度の分布や、その経時変化を画像や動画として計測するための蛍光イメージングデバイスとして利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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