表面プラズモン共鳴式光検出器を用いた近赤外分光法によるガス検出

摘要

自動車の空気状態の監視や危険なガスの検知など、様々な分野から小型のガスセンサが求められている。このようなガスセンシングには、酸化物半導体ガスセンサや光学式ガスセンサ等が用いられている。酸化物半導体ガスセンサは、大気中のガスを吸収することで抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を観測することで、ガス濃度を測定することができる。しかし、1 つのセンサで複数のガスを同時に識別して測定することは原理的に困難である。そのため複数のガスセンシングを行う場合には、異なるセンサが必要となり、設置やコストの問題が発生する。一方、光学式ガスセンサは、光がガスを通過した際、試料中の各ガス成分は特定の波長の光を吸収する性質を利用し光の吸収量を測定することで、ガス成分の濃度を測定することができる。光学式ガスセンサは高感度で、環境の変化やガス暴露による性能低下が起こらないため、安定性に優れ、高寿命のメリットがある。光学式センサは主に NDIR (Non Dispersive Infrared)と分光法による測定方法がある。NDIR は検出したいガスの吸収する波長を選択して吸光度を計測するため、構造が簡素で小型化に適している。しかし、測定波長が限定されているため、事前に検出するガス種を特定する必要がある。また分光法はガスの吸収スペクトルを計測できるため 1 つの分光器で様々なガスの計測ができ、未知成分のガスの特定が可能である。しかし、波長ごとに光を分散するための光路長が必要なため、装置の小型化と高波長分解能の両立困難であり、これらを解決する分光法が求められている。近年、金回折格子で生じる自由電子の集団振動である表面プラズモン共鳴 （ Surface Plasmon Resonance, SPR）とショットキー障壁を利用したSPR式光検出器を用いた分光技術が研究されている。SPR式光検出器を利用した分光法は光を分散するための光路長が不要なため装置の大幅な小型化が期待できる。本研究ではSPR式光検出器を用いてエタノールガスの計測を行い、ガス検出への応用可能性の評価を行った。