Improvement of infrared detection sensitivity for dissolved chemical species in water using infrared optical waveguide sensor

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05566
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 34020:Analytical chemistry-related
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: Hotta Hiroki 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (80397603)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 溶存二酸化炭素 / 赤外光導波路 / テフロンAF / ポリメタクリル酸膜 / 水中溶存有機溶媒

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study was to directly detect dissolved carbon dioxide in water using infrared spectroscopy. Generally, the dissolved carbon dioxide concentration in an aqueous solution can only be determined by calculation from the total carbon dioxide, which is the sum of dissolved carbon dioxide molecules, bicarbonate ions, and carbonate ions, and pH. We have achieved infrared absorption measurement of dissolved carbon dioxide in water using a multiple total internal reflection method (infrared optical waveguide) using a sapphire rod in the optical path. By covering the surface of the sapphire rod with a hydrophobic porous polymer membrane, the influence of background absorption due to water was reduced to a negligible level. A feature of this method is that it is possible to measure not only carbon dioxide in aqueous solutions but also water-soluble organic solvents such as ethanol, acetonitrile, and DMSO without pretreatment.

Free Research Field

分析化学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

赤外吸収測定はほとんどの分子に適用できる分光検出法であり、かつ化学構造に対する吸収波長の選択性が高いため定性能力が高いことが特徴である。その一方で水によるバックグランド吸収が大きいため、水溶液中の試料を直接的に測定対象とすることは出来ないのが一般的であった。それに対して本手法では、水に溶存している二酸化炭素の赤外吸収スペクトルを測定することに成功し、10－5 mol/Lオーダーでの定量を可能とした。また、いくつかの水溶性有機溶媒を検出できることも明らかにした。このことは今後様々な水中溶存化学種を赤外吸収スペクトル測定により、定性、定量できることを示しており、今後様々な測定に応用できる。