(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低誘電率溶媒の有無を判定するためのコロイド材料であって、
前記低誘電率溶媒に対して耐溶媒性を有し、周期的に配列された粒子と、
前記粒子間の間隙を埋める高分子材料と
を含み、
前記粒子は、シリカ、チタニア、および、これらの複合酸化物からなる群から選択され、
前記粒子の径は、６９ｎｍ〜２７６ｎｍの範囲であり、
前記粒子の屈折率と、前記高分子材料の屈折率との差が、±０．０２以上の範囲であり、
前記高分子材料の屈折率は、１．４〜１．７の範囲であり、
前記低誘電率溶媒の溶解度パラメータと、前記高分子材料の溶解度パラメータとの差が、±１．５未満の範囲である、コロイド材料。
【請求項２】
前記粒子の平均粒径に対する標準偏差の割合は、１０％以下の範囲である、請求項１に記載するコロイド材料。
【請求項３】
前記粒子は、色素を含む、請求項１に記載するコロイド材料。
【請求項４】
前記粒子の表面は、有機材料または無機材料で処理されている、請求項１に記載するコロイド材料。
【請求項５】
前記高分子材料は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、および、ウレタン樹脂からなる群から選択される、請求項１に記載するコロイド材料。
【請求項６】
前記低誘電率溶媒は、ホルムアルデヒド、キシレン、トルエン、ベンゼン、および、クロロホルムからなる群から選択される、請求項１に記載するコロイド材料。
【請求項７】
低誘電率溶媒の有無を判定する方法であって、
前記低誘電率溶媒に対して耐溶媒性を有し、周期的に配列された粒子と、前記粒子間の間隙を埋める高分子材料とを含むコロイド材料を、被検溶液と接触させるステップであって、前記粒子は、シリカ、チタニア、および、これらの複合酸化物からなる群から選択され、前記粒子の径は、６９ｎｍ〜２７６ｎｍの範囲であり、前記粒子の屈折率と、前記高分子材料の屈折率との差が、±０．０２以上の範囲であり、前記高分子材料の屈折率は、１．４〜１．７の範囲であり、前記低誘電率溶媒の溶解度パラメータと、前記高分子材料の溶解度パラメータとの差が、±１．５未満の範囲である、ステップと、
前記接触させたコロイド材料の構造色を検出するステップと、
前記検出するステップの検出結果を用いて、低誘電率溶媒の有無を判定するステップであって、前記検出結果が構造色変化無しを示す場合、前記被検溶液は低誘電率溶媒でないと判定され、前記検出結果が構造色変化有りを示す場合、前記被検溶液は低誘電率溶媒であると判定する、ステップと
を包含する、方法。
【請求項８】
前記粒子の平均粒径に対する標準偏差の割合は、１０％以下の範囲である、請求項７に記載する方法。
【請求項９】
前記粒子は、色素を含む、請求項７に記載する方法。
【請求項１０】
前記粒子の表面は、有機材料または無機材料で処理されている、請求項７に記載する方法。
【請求項１１】
前記高分子材料は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、および、ウレタン樹脂からなる群から選択される、請求項７に記載する方法。
【請求項１２】
前記低誘電率溶媒は、ホルムアルデヒド、キシレン、トルエン、ベンゼン、および、クロロホルムからなる群から選択される、請求項７に記載する方法。
【請求項１３】
前記粒子は、第１の面間隔を有するように周期的に配列しており、
前記検出するステップは、
前記接触されたコロイド材料に光を照射するステップと、
前記接触されたコロイド材料中の前記粒子で反射された反射光を受光するステップであって、前記第１の面間隔を有する前記粒子で反射された第１の反射光を受光するか、または、前記第１の面間隔から変化した第２の面間隔を有する前記粒子で反射された第２の反射光を受光する、ステップと
をさらに包含する、請求項７に記載する方法。
【請求項１４】
前記判定するステップは、前記第１の反射光を受光した場合、前記構造色変化無しとなり、前記第２の反射光を受光した場合、前記構造色変化有りとなる、請求項１３に記載する方法。
【請求項１５】
前記検出するステップは、光スペクトルメータ、光学顕微鏡、デジタルカメラ、ＣＣＤカメラ、または、これらの組み合わせを用いる、請求項７に記載する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低誘電率溶媒の有無を判定するコロイド材料、および、それを用いた判定方法に関する。より詳細には、本発明は、低誘電率溶媒の有無を構造色変化によって判定可能なコロイド材料、および、それを用いた判定方法に関する。なお、本明細書では、「低誘電率溶媒」とは、２０以下の誘電率を有する溶媒を指す。
【背景技術】
【０００２】
ホルムアルデヒド、キシレン、トルエン等の低誘電率溶媒は、「シックハウス症候群」の原因物質として社会問題になっている。このような低誘電率溶媒は、化学系の実験室、製造工場、塗装現場、新築住宅の建材等で使用されており、低誘電率溶媒を簡便に検知することが健康被害からの保護および環境汚染の防止において重要である。
【０００３】
近年、これらの低誘電率溶媒を簡便に検出する技術の開発が進められている。ホルムアルデヒドを検知する検知紙が開発されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
特許文献１は、４−アミノ−４−フェニル−３−エン−２−オンと緩衝液とを含む発色液を基材に含侵させ、これを検知紙とする技術を開示している。これによれば、４−アミノ−４−フェニル−３−エン−２−オンとホルムアルデヒドとの反応によりルチジン体が生成する。ルチジン体は、特異な吸収波長を有するので、その吸光度を検出することによってホルムアルデヒドを検知することができる。
【０００５】
また、コロイド結晶の周期構造が変化することによって、コロイド結晶の構造色が変化する技術がある（例えば、非特許文献１を参照。）。
【０００６】
非特許文献１に記載のコロイド結晶は、周期的に配列したポリスチレン粒子を含む。これら粒子間にはシリコーンが位置する。ポリスチレン粒子は、反射光が可視光領域の波長を有するように配列されている。これにより、コロイド結晶は、例えば、緑色の構造色を示す。このようなコロイド結晶を特定の溶媒と接触させると、シリコーンは、その溶媒によって膨潤し、ポリスチレン粒子の周期を変化させる。その結果、コロイド結晶の構造色は、溶媒の接触前後で変化し得、これによって溶媒を特定することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２０７４９８号公報
【非特許文献１】不動寺  浩、材料の科学と工学、Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．４，ｐｐ１９３−１９８，２００４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、検知したい対象の溶媒に応じて発色液を変化させる必要があるため、労力を要し、簡便でない。発色強度が弱く、吸光度の測定において誤差が生じ、検知の精度が低い。また、このような試験紙は、再利用できないので、ユーザにとってコストパフォーマンスが悪い。したがって、複数種類の溶媒に対応し、再利用可能な検知技術が、望ましい。
【０００９】
一方、非特許文献１に記載の技術は、検知したい対象の溶媒によっては、粒子が溶媒に溶解してしまい、構造色を発しなくなる場合がある。
【００１０】
図１１は、従来技術によるコロイド結晶のデジタルカメラ写真Ａと、電子顕微鏡写真Ｂ〜Ｄとを示す図である。
図１１Ａは、コロイド結晶にキシレンを滴下し、その後、キシレンを蒸発させたコロイド結晶のデジタルカメラ写真を示す。図１１Ａの領域１１００は、キシレンが滴下された領域であり、構造色を示さない。図１１Ａの領域１１１０は、キシレンが滴下されなかった領域であり、コロイド結晶本来の緑色の構造色を示す。このことは、キシレンの滴下・蒸発によって、コロイド結晶の構造色が脱色したことを示している。すなわち、キシレンの滴下・蒸発によって、コロイド結晶中の粒子の周期的配列が消失しており、粒子がキシレンに溶解してしまったことが原因である。
【００１１】
図１１Ｂは、領域１１１０の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）であり、明瞭な周期配列（周期構造）を示す。図１１Ｃは、領域１１００と領域１１１０との境界近傍のＳＥＭ像であり、ＳＥＭ像の上部から下部に向かうにしたがって粒子の周期配列が乱れ、最終的には周期配列がなくなっている様子を示す。図１１Ｄは、領域１１００のＳＥＭ像であり、周期配列は見られない。
このことからも、ポリスチレン粒子がキシレンに溶解し、コロイド結晶の周期配列を消失したことが分かる。したがって、複数種類の溶媒に対応したコロイド結晶が望ましい。
【００１２】
以上より、本発明の目的は、任意の低誘電率溶媒の存在有無を容易に判定するに好ましく材料設計され、再利用可能なコロイド材料、および、その判定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による低誘電率溶媒の有無を判定するためのコロイド材料は、前記低誘電率溶媒に対して耐溶媒性を有し、周期的に配列された粒子と、前記粒子間の間隙を埋める高分子材料とを含み、前記粒子は、シリカ、チタニア、および、これらの複合酸化物からなる群から選択され、前記粒子の径は、６９ｎｍ〜２７６ｎｍの範囲であり、前記粒子の屈折率と、前記高分子材料の屈折率との差が、±０．０２以上の範囲であり、前記高分子材料の屈折率は、１．４〜１．７の範囲であり、前記低誘電率溶媒の溶解度パラメータと、前記高分子材料の溶解度パラメータとの差が、±１．５未満の範囲であり、これにより上記目的を達成する。
【００１４】
前記粒子の平均粒径に対する標準偏差の割合は、１０％以下の範囲であり得る。
【００１５】
前記粒子は、色素を含み得る。
【００１６】
前記粒子の表面は、有機材料または無機材料で処理され得る。
【００１７】
前記高分子材料は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、および、ウレタン樹脂からなる群から選択され得る。
【００１８】
前記低誘電率溶媒は、ホルムアルデヒド、キシレン、トルエン、ベンゼン、および、クロロホルムからなる群から選択され得る。
【００１９】
本発明による低誘電率溶媒の有無を判定する方法は、前記低誘電率溶媒に対して耐溶媒性を有し、周期的に配列された粒子と、前記粒子間の間隙を埋める高分子材料とを含むコロイド材料を、被検溶液と接触させるステップであって、前記粒子は、シリカ、チタニア、および、これらの複合酸化物からなる群から選択され、前記粒子の径は、６９ｎｍ〜２７６ｎｍの範囲であり、前記粒子の屈折率と、前記高分子材料の屈折率との差が、±０．０２以上の範囲であり、前記高分子材料の屈折率は、１．４〜１．７の範囲であり、前記低誘電率溶媒の溶解度パラメータと、前記高分子材料の溶解度パラメータとの差が、±１．５未満の範囲である、ステップと、前記接触させたコロイド材料の構造色を検出するステップと、前記検出するステップの検出結果を用いて、低誘電率溶媒の有無を判定するステップであって、前記検出結果が構造色変化無しを示す場合、前記被検溶液は低誘電率溶媒でないと判定され、前記検出結果が構造色変化有りを示す場合、前記被検溶液は低誘電率溶媒であると判定する、ステップとを包含し、これにより上記目的を達成する。
【００２０】
前記粒子の平均粒径に対する標準偏差の割合は、１０％以下の範囲であり得る。
【００２１】
前記粒子は、色素を含み得る。
【００２２】
前記粒子の表面は、有機材料または無機材料で処理され得る。
【００２３】
前記高分子材料は、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、および、ウレタン樹脂からなる群から選択され得る。
【００２４】
前記低誘電率溶媒は、ホルムアルデヒド、キシレン、トルエン、ベンゼン、および、クロロホルムからなる群から選択され得る。
【００２５】
前記粒子は、第１の面間隔を有するように周期的に配列しており、前記検出するステップは、前記接触されたコロイド材料に光を照射するステップと、前記接触されたコロイド材料中の前記粒子で反射された反射光を受光するステップであって、前記第１の面間隔を有する前記粒子で反射された第１の反射光を受光するか、または、前記第１の面間隔から変化した第２の面間隔を有する前記粒子で反射された第２の反射光を受光する、ステップとをさらに包含し得る。
【００２６】
前記判定するステップは、前記第１の反射光を受光した場合、前記構造色変化無しとなり、前記第２の反射光を受光した場合、前記構造色変化有りとなり得る。
【００２７】
前記検出するステップは、光スペクトルメータ、光学顕微鏡、デジタルカメラ、ＣＣＤカメラ、または、これらの組み合わせを用い得る。
【発明の効果】
【００２８】
本発明のコロイド材料によれば、シリカ、チタニア、および、これらの複合酸化物からなる群から選択された、６９ｎｍ〜２７６ｎｍの範囲の耐溶媒性の粒径を有する粒子が周期的に配列されているので、ブラッグ回折の反射光のピークは、可視光領域に現れる。これにより、粒子が構成するコロイド結晶の構造色を目視によって検出できる。また、粒子は、耐溶媒性であるため、低誘電率溶媒に溶解することはない。
【００２９】
粒子と高分子材料との屈折率差が±０．０２以上の範囲となり、かつ、高分子材料の屈折率が１．４〜１．７の範囲となるように設定されるので、目視によって（少なくとも分光光度計等の装置を用いて）、コロイド材料の構造色の発色を検出することができる。
【００３０】
低誘電率溶媒と高分子材料との溶解度パラメータの差が±１．５未満となるように設定されるので、高分子材料に浸透する被検溶液によって生じる膨潤現象は、被検溶液が低誘電率溶媒の場合に顕著となる。それによって、構造色の変化として低誘電率溶媒の有無を判定することができる。
【００３１】
本明細書では、用語「コロイド結晶」とは、粒子が周期的に配列された状態を指し、用語「コロイド材料」とは、周期的に配列された粒子の間隙に高分子材料が充填された状態を指すことに留意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明によるコロイド材料の模式図である。
本発明によるコロイド材料１００は、低誘電率溶媒に対して耐溶媒性を示し、周期的に配列された粒子１１０と、粒子間の間隙を埋める高分子材料１２０とを含む。コロイド材料１００は、基板１３０上に位置していてもよい。
【００３３】
粒子１１０は、図１の初期状態に示されるように、面間隔が第１の面間隔Ｄ１となるように周期的に配列されている。この第１の面間隔Ｄ１は、ブラッグ反射の条件を満たす光を反射する。コロイド材料１００が、低誘電率溶媒と接触すると、粒子１１０は、図１の膨潤状態に示されるように、その面間隔を第１の面間隔Ｄ１から第２の面間隔Ｄ２（Ｄ１≠Ｄ２）まで変化させる。第２の面間隔Ｄ２もまた、ブラッグ反射条件を満たす光を反射する。低誘電率溶媒との接触による、粒子１１０の面間隔の変化が、構造色の変化を引き起こし、低誘電率溶媒の存在有無を示唆することができる。本明細書では、「周期的に配列される」とは、ブラッグ反射の条件を満たして粒子が配列されていることを意図することに留意されたい。
【００３４】
粒子１１０は、耐溶媒性に優れ、熱、応力によって変形しない酸化物が望ましい。粒子１１０は、シリカ、チタニア、および、これらの複合酸化物からなる群から選択される。これらの材料は、低誘電率溶媒に対して耐溶媒性を示し、熱および応力によって変化しない。シリカ、および、チタニアは、それぞれ、シリカアルコキシドおよびチタンアルコキシドの加水分解によって製造され得る。これらの材料のうち、特に、シリカは、合成オパールとして工業化が実現されており、入手が容易である。これらの材料の屈折率は、１．４５〜２．９の範囲である。粒子１１０の粒径は、６９ｎｍ〜２７６ｎｍの範囲である（条件Ａ）。この範囲であれば、粒子１１０でブラッグ回折された反射光の波長は、可視光領域を有するので、粒子１１０によって構成されるコロイド結晶の構造色の発色を目視にて確認できる。
【００３５】
粒子１１０の平均粒径に対する標準偏差の割合は、好ましくは、１０％以下である。この範囲であれば、粒子１１０は単分散であるので、容易にコロイド結晶を形成し得るので、構造色を発し得る。
【００３６】
粒子１１０は、その内部に色素を含んでいてもよい。粒子１１０は、その表面を有機材料または無機材料によって処理されていてもよい。黒色またはこれに類似するダーク色の色素を含むか、または、これらの色の表面処理が望ましい。これによって、粒子１１０は色づけられるので、構造色のコントラストがより明確になり、低誘電率溶媒の判定が容易になり得る。特に、黒色またはダーク色の場合、不要な光を吸収するため、構造色のコントラストがより明確になり得る。
【００３７】
高分子材料１２０の屈折率は、１．４〜１．７の範囲である（条件Ｂ）。また、粒子１１０の屈折率と、高分子材料１２０の屈折率との差が、±０．０２以上となるように粒子１１０および高分子材料１２０は選択される（条件Ｃ）。これにより、目視によって、または、任意の光学装置を用いて、コロイド材料１００の構造色の発色を確認できる。好ましくは、粒子１１０の屈折率と、高分子材料１２０の屈折率との差は、±０．０５以上となるように粒子１１０および高分子材料１２０は選択される。これによって、構造色の発色を確実に目視によって確認できるので、複雑な装置等を用いることなく、簡便であり得る。
【００３８】
さらに、高分子材料１２０の溶解度パラメータと、コロイド材料１００によって判定される低誘電率溶媒の溶解度パラメータとの差は、±１．５以内となるように、高分子材料１２０は選択される（条件Ｄ）。後述するように、コロイド材料１００による低誘電率溶媒の有無の判定では、高分子材料１２０の膨潤現象を利用する。上記条件Ｄを満たすことにより、膨潤現象が顕著となり、コロイド材料１００の構造色変化として低誘電率溶媒の有無を判定することができる。
【００３９】
高分子材料１２０は、好ましくは、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、および、ウレタン樹脂からなる群から選択される。これらの材料であれば、ホルムアルデヒド、キシレン、トルエン、ベンゼン、および、クロロホルムの低誘電率溶媒に対して上記条件Ｂ〜Ｄを満たし得る。当然のことながら、コロイド材料１００は、粒子１１０および高分子材料１２０が劣化しない限り、再現性よく低誘電率溶媒の有無を判定するに利用可能である。
【００４０】
本願発明者らによれば、低誘電率溶媒の有無を判定するに好ましいコロイド材料の条件Ａ〜Ｄを創意工夫によって見出した。これらは、いずれの条件が欠如していても、本願の効果を奏することはできない。このような条件を見出したことによって、材料設計に有利であり得、ユーザの用途に応じた設計も可能である。
【００４１】
なお、本発明では、入手が比較的容易とされるシリカ、チタニアおよびこれらの複合酸化物を粒子１１０の材料として固定した場合の、低誘電率溶媒の有無の判定に好ましいコロイド材料１００の材料設計を行っている。以降では、上記条件Ａ〜条件Ｄについて詳述し、本発明の原理を説明する。当業者であれば、本発明の原理を理解し、粒子１１０の材料を変更し、コロイド材料１００を適宜設計することができる。
【００４２】
（条件Ａ）
始めに、本発明では、コロイド材料１００の構造色の変化を検出することによって、低誘電率溶媒の有無を判定する。したがって、コロイド材料１００が構造色を発するためには、コロイド材料１００中の粒子１１０によって構成されるコロイド結晶がブラッグ回折条件を満たす必要がある。
図２は、チタニアおよびシリカのブラッグ回折波長の粒径依存性を示す図である。
コロイド結晶のブラッグ回折は、式（１）
λ＝２ｎ×ｄ    …（１）
に従って起こる。ここで、λは、ブラッグ回折の反射光の波長（ｎｍ）であり、ｎは、粒子１１０（図１）の屈折率であり、ｄは、粒子１１０の平均粒径（ｎｍ）である。チタニア（ルチル）およびシリカの屈折率は、それぞれ、２．９および１．４５であり、これらを式（１）に代入すると、図２に示すようなプロファイルが得られる。
【００４３】
反射光の波長が可視光領域（４００ｎｍ〜８００ｎｍ）であれば、目視にて、粒子１１０からなるコロイド結晶の構造色の発色を確認できる。したがって、反射光が上記可視光領域となるようにするには、粒子１１０は、図２のドットで示す領域を満たす必要がある。より具体的には、粒子１１０の粒径は、６９ｎｍ〜２７６ｎｍの範囲であれば、コロイド結晶の構造色を目視にて確認できる。このようにして、上記条件Ａが導かれる。
【００４４】
（条件ＢおよびＣ）
次に、粒子１１０と高分子材料１２０（図１）との屈折率によっては、コロイド結晶、すなわち、コロイド材料１００全体としての構造色が発色しない場合がある。このようなことを避けるために、粒子１１０と高分子材料１２０とを選択するための条件ＢおよびＣを求める。
【００４５】
図３は、屈折率の粒子材料の組成依存性を示す図である。
本発明では、屈折率１．４〜１．７の範囲を有する高分子材料１２０を適用する（条件Ｂ）。これにより、例えば、低屈折率高分子材料として知られるフッ素を有する高分子材料（屈折率ｎ≒１．４）から高屈折率高分子材料として知られる硫黄基や芳香環を有する高分子材料（屈折率ｎ≒１．７）にわたって広範囲の材料を用いた設計が可能となる。
【００４６】
一方、シリカ、チタニアおよびこれらの複合酸化物の屈折率は、組成に応じて１．４５から２．９まで変化し得る。この範囲は、条件Ｂの高分子材料１２０の屈折率の範囲を含み得る、特に、粒子１１０と高分子材料１２０との屈折率差がないか、または、小さい場合、構造色の発色が確認できないことが知られている。構造色の発色を確認するためには、粒子１１０と高分子材料１２０との屈折率差は、条件Ｃである、少なくとも±０．０２以上必要である。好ましくは、屈折率差は、±０．０５以上であり、これによって、目視によって構造色の発色を確認できる。
【００４７】
以上の条件ＢおよびＣを満たす高分子材料１２０の範囲は、図３のドットにて示される。
【００４８】
（条件Ｄ）
次に、高分子材料１２０と低誘電率溶媒との関係を説明する。上述したように、コロイド材料１００による低誘電率溶媒の有無の判定では、高分子材料１２０の膨潤現象を利用する。したがって、より高精度に低誘電率溶媒の有無を判定するためには、低誘電率溶媒に対して高分子材料１２０の膨潤現象が顕著に生じる必要がある。
【００４９】
膨潤現象は、高分子材料１２０に溶媒が浸透することによって生じる。膨潤の熱力学は、フロリーの混合の自由エネルギー変化と、ヒルデブランドの溶解度パラメータとを用いた次式（２）〜（４）によって表される。
ΔＧm＝ΔＨm−ＴΔＳ  …（２）
＝Ｖ｛（ΔＥ1V／Ｖ1）1/2−（ΔＥ2V／Ｖ2）1/2｝2φ1φ2−ＴΔＳ…（３）
＝Ｖ｛δ1−δ2｝2φ1φ2−ＴΔＳ    …（４）
ここで、ΔＧmは自由エネルギー変化であり、ΔＨmは系のエンタルピー変化であり、Ｔは系の温度であり、Ｓは系のエントロピー変化である。ΔＥ1Vは、高分子材料１２０の蒸発エネルギー変化であり、Ｖは、高分子材料１２０および溶媒の全体積であり、Ｖ1は高分子材料１２０の体積であり、ΔＥ2Vは、溶媒の蒸発エネルギー変化であり、Ｖ2は溶媒の体積であり、φ1およびφ2は、それぞれ、高分子材料１２０および溶媒の体積分率である。δ1およびδ2は、それぞれ、高分子材料１２０および溶媒の溶解度パラメータである。
【００５０】
この溶解度パラメータと、自由エネルギーとの関係を図４に示す。
図４は、自由エネルギーの高分子材料と低誘電率溶媒との溶解度パラメータ依存性を示す図である。
熱力学の分野においては、−ΔＧmが大きいほどエネルギーが安定であることが知られている。すなわち、−ΔＧmは、ΔＨm＝０のとき、もっとも大きな値をとり、膨潤現象がもっとも強くなる。式（４）から理解されるように、δ1＝δ2においてΔＨm＝０を満たし、−ΔＧmは最大となる。これが、図４のピーク（δ1−δ2＝０）に相当する。
【００５１】
本願発明者らは、膨潤現象による構造色の発色を確認するために、高分子材料１２０の溶解度パラメータと溶媒の溶解度パラメータとの関係が重要であり、その具体的な条件を創意工夫によって見出した。
高分子材料と溶媒との膨潤の程度を溶解度パラメータについて調べた結果、膨潤可能範囲のピーク幅が約３（ＭＰａ1/2）であった（例えば、Ｉａｎ  Ｍａｎｎｅｒｓ，  Ｍａｃｒｏｍｏｌ．  Ｃｈｅｍ．  Ｐｈｙｓ．，  ２０２，  １７６８，  ２００１）。このような結果を用いると、所定の低誘電率溶媒に対して図４の矢印にて示されるピーク幅を有するためには、所定の低誘電率溶媒の溶解度パラメータδ2に対して、高分子材料１２０の溶解度パラメータδ1が−１．５＜（δ1−δ2）（ＭＰａ1/2）＜＋１．５を満たすように、高分子材料１２０を選択すればよい（条件Ｄ）。このように、高分子分野における知見を、コロイド結晶分野の構造色の発色に取り入れることは、容易に相当し得ないことを当業者なら理解する。
【００５２】
以上、条件Ａ〜Ｄについて説明してきたが、上述したように、いずれの条件が欠如しても本願の効果は為し得ない。
【００５３】
次に、図１に示すコロイド材料を用いて、低誘電率溶媒の有無を判定するステップをそれぞれ説明する。
図５は、本発明による低誘電率溶媒の有無を判定するステップを示す図である。
【００５４】
ステップＳ５１０：コロイド材料１００（図１）を被検溶液と接触させる。接触は、例えば、被検溶液にコロイド材料１００を浸漬させてもよいし、コロイド材料１００に被検溶液を滴下してもよい。ここで、被検溶液と接触する前のコロイド材料１００の構造色を検出しておくことが望ましい。
【００５５】
ステップＳ５２０：コロイド材料１００の構造色を検出する。なお、検出される構造色とは、コロイド材料１００の色情報、面間隔、分光スペクトル等の構造色に関連する任意のデータであり得る。
【００５６】
ステップＳ５３０：検出された構造色を用いて低誘電率溶媒の有無を判定する。検出された構造色が接触前の構造色と同じ場合には、構造色変化無し、とみなされる。この場合、被検溶液は低誘電率溶媒でないと判定され、低誘電率溶媒無し、とみなされる。一方、検出された構造色が接触前の構造色と異なる場合には、構造色変化有り、とみなされる。この場合、被検溶液は低誘電率溶媒であると判定され、低誘電率溶媒有り、とみなされる。
【００５７】
ステップＳ５２０およびＳ５３０は、目視によって行ってもよいし、分光スペクトルメータ等の装置を用いて行ってもよい。次に、ステップＳ５２０およびＳ５３０において、装置を用いて判定する例について説明する。
【００５８】
図６は、本発明による、コロイド材料を用いて、低誘電率溶媒の有無を判定する装置を示す図である。
装置６００は、コロイド材料１００に光を照射する光学系６１０と、コロイド材料１００中の粒子１１０で反射された反射光を受光する受光手段６４０とを含む。
【００５９】
光学系６１０は、光源６２０とファイバープローブ等の光ファイバ６３０とをさらに含む。光源６２０は、白色光を発する。光ファイバ６３０は、光源６２０からの光をコロイド材料１００に入射させるように機能する。この際、好ましくは、光ファイバ６３０からの光は、コロイド材料１００の表面に対して直角となるように入射される。これによって、検出強度が向上し得る。
【００６０】
受光手段６４０は、例えば、反射型分光スペクトルメータ等の分光スペクトルメータ、光学顕微鏡、デジタルカメラ、ＣＣＤカメラ、または、これらの組み合わせで有り得る。受光手段６４０は、粒子１１０で反射された反射光を、光ファイバ６３０を介して受光する。具体的には、受光手段６４０は、第１の面間隔Ｄ１（図１）を有する粒子１１０で反射された反射光を受光するか、または、第１の面間隔Ｄ１から変化した第２の面間隔Ｄ２（図１）を有する粒子１１０で反射された反射光を受光するかのいずれかである。
【００６１】
受光手段６４０が分光スペクトルメータである場合、受光された反射光をスペクトルデータとして可視化することができる。受光手段６４０がデジタルカメラである場合、測定範囲を画像データとして可視化することができる。
【００６２】
装置６００は、また、光学系６１０および受光手段６４０の動作を制御する制御部６５０をさらに備えてもよい。
【００６３】
制御部６５０は、受光手段６４０で得られたデータ（構造色に関連するデータ）を格納する格納部６６０、および、格納部６６０に格納されたデータを用いて計算を行う算出部６７０を含み得る。
【００６４】
格納部６６０は、例えば、メモリであり得る。格納部６６０は、得られたデータに加えて、予め、被検溶液に接触させる前のコロイド材料１００の構造色に関連するデータ（例えば、スペクトルデータ、第１の面間隔Ｄ１等）を格納し得る。
【００６５】
算出部６７０は、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）であり得る。算出部６７０は、格納部６６０に格納されたデータに基づいて、被検溶液が低誘電率溶媒であるか否かを判定する。制御部６５０は、ディスプレイ等の表示手段をさらに有していてもよく、算出部６７０の判定結果を可視化してもよい。
【００６６】
装置６００は、コロイド材料１００に対して光学系６１０からの光を相対的に移動させる移動手段（図示せず）をさらに備えてもよい。これによって、大面積にわたって低誘電率溶媒の有無の判定を行うことができる。この場合も、移動手段の動作は、制御部６５０によって制御され得る。
【００６７】
このような装置６００を用いたステップＳ５２０およびＳ５３０の動作を説明する。
制御部６５０は、光学系６１０が、コロイド材料１００の所定の場所（すなわち、被検溶液との接触領域）に向けて光を出射するように制御する。光源６２０が発した光は、光ファイバ６３０を介してコロイド材料１００に入射される。粒子１１０で反射した反射光は、再度、光ファイバ６３０を介して受光手段６４０によって受光される。受光手段６４０は、得られたデータ（構造色に関連するデータ）を格納部６６０に送信する（ステップＳ５２０）。
【００６８】
制御部６５０は、算出部６７０が、格納部６６０に格納されたデータに基づいて、被検溶液が低誘電率溶媒であるか否かを判定するように制御する。ここでは、算出部６７０は、得られたデータと、予め格納されたデータ（例えば、被検溶液と接触する前のコロイド材料１００に関するデータ）とを比較する。比較結果が一致する（すなわち、第１の面間隔Ｄ１を有する粒子１１０で反射された光を受光する）場合には、被検溶液は低誘電率溶媒ではないと判定し、比較結果が一致しない（すなわち、第２の面間隔Ｄ２を有する粒子１１０で反射された光を受光する）場合には、被検溶液は低誘電率溶媒であると判定する（ステップＳ５３０）。なお、算出部６７０が、ディスプレイに得られたデータと、予め格納されたデータとを同時に表示し、目視にて比較を行ってもよい。
【００６９】
このように、装置６００を用いれば、コントラストが小さい場合であっても、高精度かつ定量的に低誘電率溶媒の有無の判定を行うことができる。
【００７０】
次に、具体的な実施例を述べるが、本発明はこれらに限定されないことに留意されたい。
【実施例１】
【００７１】
粒子１１０（図１）としてシリカ（ＳｉＯ2）粒子（シーホスターＫＥ−Ｗ２０、日本触媒）、および、高分子材料１２０（図１）として紫外線硬化型変性アクリルエラストマー（ワールドロックＸＶＬ−９０Ａ０、協立化学産業）を含むコロイド材料１００（図１）を基板１３０（図１）としてＳｉ基板上に作製した。コロイド材料は、Ｆｕｄｏｕｚｉ，  Ｊ．  Ｃｏｌｌｏｉｄ  ａｎｄ  Ｉｎｔ．  Ｓｃｉ．，  ２７５，  ２７７−２８３，  ２００４に記載の手順によって作製された。このようにして得られたコロイド材料１００において、シリカ粒子は、Ｓｉ基板上に立方最密充填で（１１１）面配向していた。なお、変性アクリルエラストマーは、アクリル樹脂の一種であり、窒素ガス雰囲気中で波長３６５ｎｍの紫外線を照射することによって、重合・硬化された。ここで、用いたシリカ粒子、変性アクリルエラストマー、および、キシレンの種々の物性を表１に示す。
【００７２】
【表１】
0004639288.tif 000002
【００７３】
このようにして得られたコロイド材料１００を用いて、低誘電率溶媒としてキシレンの検出を行った。コロイド材料１００をキシレンと接触させて、その構造色の変化を観察した。コロイド材料１００のキシレンとの接触は、コロイド材料１００をキシレンに浸漬させることによって行った。構造色の観察は、目視およびデジタルカメラを用い、キシレンとの接触前、キシレンとの接触直後、キシレンの蒸発後に行った。また、キシレンの蒸発後、走査型電子顕微鏡  ＪＳＭ−６７００Ｆ（ＪＥＯＬ、Ｊａｐａｎ）を用いて、コロイド材料１００中の粒子１１０の結晶状態を確認した。観察は、加速電圧１０ｋＶであった。以上の結果を図７に示す。
【００７４】
図７は、本発明のコロイド材料のキシレンによる構造色変化を示すデジタルカメラ写真と、電子顕微鏡写真とを示す図である。
図７Ａは、コロイド材料１００をキシレンと接触させる前（すなわち、コロイド材料１００の作製直後）のデジタルカメラ写真を示す。コロイド材料１００が、緑色の構造色を示すことを目視にて確認した。
図７Ｂは、コロイド材料１００をキシレンと接触させた直後のデジタルカメラ写真を示す。コロイド材料１００の構造色が、図７Ａで見られた赤色から緑色に変化したことを目視にて確認した。このような構造色の変化から、コロイド材料１００を用いて、低誘電率溶媒の有無を判定できることが示された。
図７Ｃは、コロイド材料１００をキシレンと接触させ、その後、コロイド材料１００内部に浸透したキシレンを蒸発させた後のデジタルカメラ写真を示す。コロイド材料１００の構造色は、図７Ａで見られた赤色を示すことを目視にて確認した。
図７Ｄは、図７Ｃにおけるコロイド材料１００の表面の電子顕微鏡写真を示す。表面は、粒子１１０が規則的に配列しており、キシレンの浸透によって周期構造が破壊されていない様子を示した。
図７Ｅは、図７Ｃにおけるコロイド材料１００の断面の電子顕微鏡写真を示す。断面においても、図７Ｄと同様に、粒子１１０が規則的に配列している様子を示した。
【００７５】
図７Ｃ〜図７Ｅの結果から、本発明によるコロイド材料１００は、粒子１１０がキシレンに溶解しないので、内部に浸透したキシレンの蒸発後も、粒子１１０の周期配列は維持されることが分かった。このことは、本発明によるコロイド材料１００が、再現性よくキシレンの検出に用いることができることを示唆している。
【実施例２】
【００７６】
図６に示すような分光システムを用いて、定量的なキシレンの検出を行った。コロイド材料１００は、実施例１で作製した試料を用いた。コロイド材料１００にキシレンを滴下し、目視およびデジタルカメラによる観察を行った。ついで、滴下された領域と、滴下されていない領域とにおける分光スペクトルを測定した。
【００７７】
図８は、本発明によるコロイド材料のデジタルカメラ写真と分光スペクトルとを示す図である。
図８Ａは、コロイド材料１００にキシレン液滴を滴下した直後のデジタルカメラ写真である。領域８００は、キシレンが滴下されていない領域（初期部）、領域８１０は、キシレンが滴下された領域（膨潤部）を示す。領域８００は、図７Ａで示した緑色の構造色を示し、領域８１０は、図７Ｂで示した赤色の構造色を示した。次に、領域８００および８１０それぞれの分光スペクトルを測定した。
図８Ｂのスペクトル８２０および８３０は、それぞれ、領域８００および８１０における分光スペクトルを示す。初期部におけるスペクトル８２０は、約５２０ｎｍにピークを示し、膨潤部におけるスペクトル８３０は、約６５０ｎｍにピークを示した。キシレンによって、高分子材料１２０（実施例２では変性アクリルエラストマー）が膨潤し、ブラッグ回折波長が約１３０ｎｍレッドシフトしたことが分かった。
【００７８】
本実施例では、目視にても明瞭に構造色の変化を検知できたが、分光システムを用いれば、目視にて検知できない構造色の変化であっても容易に検出することができ、高精度に低誘電率溶媒の有無を判定することができる。
【００７９】
次いで、コロイド材料１００のキシレンの検出速度について調べた。図８Ｂで得られた、初期部を示す波長５２０ｎｍ、および、膨潤部を示す波長６５０ｎｍにおける検出光強度の経時変化を測定した。測定開始から２５秒経過したとき、コロイド材料１００にキシレンを滴下した。
図９は、コロイド材料における検出光強度の経時変化を示す図である。
波長１は、初期部を示す波長５２０ｎｍの光の強度の経時変化を示し、波長２は、膨潤部を示す波長６５０ｎｍの光の強度の経時変化を示す。波長１の光強度は、キシレンが滴下されるまでの間（すなわち、測定開始から２５秒までの間）、所定の値を有し、キシレン滴下後、約１秒以内で０になった。その後、測定開始から７５秒後（すなわち、内部に浸透したキシレンの蒸発開始後）に、緩やかに光強度が増加し始めた。一方、波長２の光強度は、キシレンが滴下されるまでの間、０であり、キシレン滴下後、数秒（約２秒）で所定の値まで増加した。その後、コロイド材料１００内に浸透したキシレンの蒸発が開始する７５秒まで、所定の値が維持された。７５秒後、緩やかに光強度は低下し、再度０になった。
【００８０】
本発明によれば、低誘電率溶媒の有無を１秒程度で判定できることが示された。このような判定速度は、従来のリトマス試験紙等実用化されている簡易型検査法に対して遜色のない短時間の判定速度である。１秒程度の短時間で判定できるため、検査時に対象溶媒に暴露される時間が秒単位と短くなり、測定者の健康に与える影響を小さくできる。
【００８１】
次いで、コロイド材料１００の再利用可能性について調べた。コロイド材料１００にキシレンを滴下し、乾燥後、再度滴下する工程を１０回以上行った。その都度、分光スペクトルを測定し、ブラッグ回折する波長のピーク位置の変化を調べた。
【００８２】
図１０は、ピーク位置の測定回数依存性を示す図である。
図が複雑になるのを防ぐため、３回分の測定結果のみを示す。図からわかるように、測定回数にかかわらず、乾燥（すなわち初期部）および膨潤におけるそれぞれのピーク位置に変化はなかった。このことから、本発明によるコロイド材料１００は、再利用可能であることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
以上説明してきたように、本発明によれば、任意の低誘電率溶媒の存在有無を容易に判定するに好ましく材料設計され、再利用可能なコロイド材料が提供される。本発明によるコロイド材料を用いれば、複雑な装置を用いることなく、目視にて瞬時に低誘電率溶媒の存在有無を判定できるので、有利であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明によるコロイド材料の模式図
【図２】チタニアおよびシリカのブラッグ回折波長の粒径依存性を示す図
【図３】屈折率の粒子材料の組成依存性を示す図
【図４】自由エネルギーの高分子材料と低誘電率溶媒との溶解度パラメータ依存性を示す図
【図５】本発明による低誘電率溶媒の有無を判定するステップを示す図
【図６】本発明による、コロイド材料を用いて、低誘電率溶媒の有無を判定する装置を示す図
【図７】本発明のコロイド材料のキシレンによる構造色変化を示すデジタルカメラ写真と、電子顕微鏡写真とを示す図
【図８】本発明によるコロイド材料のデジタルカメラ写真と分光スペクトルとを示す図
【図９】コロイド材料における検出光強度の経時変化を示す図
【図１０】ピーク位置の測定回数依存性を示す図
【図１１】従来技術によるコロイド結晶のデジタルカメラ写真Ａと、電子顕微鏡写真Ｂ〜Ｄとを示す図
【符号の説明】
【００８５】
１００  コロイド材料
１１０  粒子
１２０  高分子材料
１３０  基板
６００  装置
６１０  光学系
６３０  光ファイバ
６５０  制御部
【図１】
0004639288.tif 000003
【図２】
0004639288.tif 000004
【図３】
0004639288.tif 000005
【図４】
0004639288.tif 000006
【図５】
0004639288.tif 000007
【図６】
0004639288.tif 000008
【図９】
0004639288.tif 000009
【図１０】
0004639288.tif 000010
【図７】
0004639288.tif 000011
【図８】
0004639288.tif 000012
【図１１】
0004639288.tif 000013