 |
|
|
|
ARTYKUŁY Elektronika Światłowodowe czujniki wielkości chemicznych, środowiskowych i biologicznych – EWOFS 2013 |
|
Elementy fotoniczne i technika światłowodowa są stosowane w systemach elektroniki jądrowej, dozymetrii radiacyjnej, zabezpieczenia obiektów i osób itp. Dozymetry światłowodowe promieniowania jonizującego są wykonywane np. z uczulanych światłowodów szklanych i plastikowych (PMMA). Jako uczulacze stosowane są domieszki Fe i Co oraz metale przejściowe. Uczulenie prowadzi do nawet stukrotnego wzrostu indukowanych strat radiacyjnych w pasmach rezonansowych w porównaniu ze światłowodami nie domieszkowanymi z tego samego szkła wysoko-krzemionkowego, lub z albumino-krzemianów. Światłowody ze szkieł miękkich są bardziej czułe na promieniowanie jonizujące, cząsteczkowe i gamma. Jako znieczulacz stosuje się domieszkę cerową. W takim przypadku stosowana jest metoda spektroskopii absorpcyjnej, gdyż włókno zachowuje się na ogół liniowo w funkcji dawki. Straty spektralne indukowane radiacyjnie mogą jednak wzrastać nierównomiernie w paśmie przezroczystości, co jest spowodowane domieszką uczulającą, szczególnie o zachowaniu rezonansowym. Bardzo duże dawki można wówczas odczytać jedynie z krótkich odcinków światłowodu.
W innych przypadkach dozymetrii światłowodowej stosowane są metody scyntylacji, fluorescencji itp. Domieszkowane światłowody substancją aktywną, jak uczulaczem radiacyjnym, fluoroforem itp. są np. konwerterami długości fali. Konwertowana we włóknie fala optyczna z zakresu UV do obszaru VIS i IR podlega propagacji do odległego detektora. Światłowód lub sieć światłowodów jest zintegrowana ze scyntylacyjnym środowiskiem pomiarowym, pokrywa znaczną powierzchnię scyntylatorów rozmieszczonych wokół monitorowanego miejsca i wychwytuje generowane fotony a następnie po konwersji w dziedzinie długości fali propaguje do detektorów. Płyty scyntylacyjne posiadają kształty płaskie lub złożone, dopasowane do miejsca aplikacji. Scyntylacyjne, wielko-powierzchniowe detektory światłowodowe są stosowane powszechnie w wielu eksperymentach naukowych np. neutrinowych. W zastosowaniach lokalnych, punktowych tylko część światłowodu może być pokryta materiałem fluorescencyjnym, np. jego końcówka lub nawet tylko powierzchnia wyjściowa. Rodzaj tego materiału jest dobierany do energii fotonów rentgenowskich lub fotonów gamma, a także cząstek jonizujących (fluoresceina i jej pochodne chemiczne, rodamina oraz inne fluorofory, tleno-siarczek gadolinu domieszkowany terbem, tych materiałów jest znaczna rozmaitość). Światłowodowe dozymetry plastikowe stosowane są w radioterapii klinicznej ze względu na możliwość formowania ich w zmienne kształty dopasowane do napromieniowywanego miejsca. Obecnie biomedyczne radiometry światłowodowe są stosowane do pomiarów zewnętrznych wokół pacjenta, także wokół niewielkich zlokalizowanych miejsc. Badane są pomiarowe zastosowania endoskopowe.
Domieszkowane włókna optyczne są wykorzystywane do budowy oksymetrów światłowodowych z gaszeniem fluorescencji, z perspektywą zastosowań biomedycznych. Światłowód polimerowy stożkowy jest domieszkowany bezpośrednio kompleksem rutenowym – fluoroforem. Kompleksy te wykazują wiele stopni utlenienia (2, 3, 4, 6, 8) stąd są wykorzystywane w metodach fluorescencyjnych do detekcji tlenu i jego ilości. Energia konwersji pomiędzy stanami utlenienia kompleksów rutenowych jest niewielka i zachodzą one spontanicznie w zależności od warunków panujących w środowisku fizjologicznym. Kompleksy z centralnym atomem rutenu (metal przejściowy – żelazowiec) posiadają bogatą wieloizomeryczną, trójwymiarową geometrię heksa-koordynacyjną – oktahedralną (sześć ligandów). Wpływając na efekty elektronowe i sferyczne można zmieniać właściwości kompleksów.
Układ oksymetru światłowodowego składa się bocznego oświetlacza stożka światłowodowego, docelowo poprzez sprzęgacz, w celu poprawy wartości sygnału do szumu. Do oświetlenia, w celu obniżenia kosztów czujnika, stosowane są konwencjonalne elementy optoelektroniczne. Mierzona jest fluorescencja i jej natężenie, rozkład spektralny, czas zaniku oraz właściwości dynamiczne całego układu czujnikowego. Parametry te zależą od koncentracji tlenu.
Do pomiaru jakości wielu użytkowych substancji przemysłowych, jak paliw płynnych, a także jakości produktów spożywczych, jak olei jadalnych potrzebne są niewielkie przenośne, specjalizowane testery, optymalizowane do konkretnego zastosowania. Pełne systemy w takich przypadkach są stacjonarne i dostępne wyłącznie w laboratoriach. Pobierane próbki są transportowane do takich laboratoriów. Pomiar in situ jest możliwy jedynie przy pomocy przyrządu przenośnego. Czujniki fotoniczne w testerach paliw płynnych i olei jadalnych są kompaktowe, relatywnie tanie i dokonują pomiarów w sposób wieloparametrowy, wielo-spektralny, niezawodny, powtarzalny i dokładny.
Pomiar wykorzystuje bazę danych dokładnych sygnatur spektralnych poszczególnych substancji badanych. Domieszkowanie substancji badanej tańszym substytutem, czy zanieczyszczenie, czyli fałszowanie i podrabianie oryginałów zmienia nieuchronnie sygnaturę, nawet jeśli są to tylko szczegóły. Pomiary dokonywane są zazwyczaj tylko w paśmie widzialnym podzielonym na dwa lub więcej podpasm, choć dokładniejsze i nieco droższe przyrządy światłowodowe mierzą także w zakresach UV i IR. W przypadku pomiarów olei jadalnych z zastosowaniem spektroskopii absorpcyjnej, światłowodu i tanich elementów optoelektronicznych, przyrząd rozróżnia rodzaje olei i ich ewentualne zanieczyszczenia. Urządzenie ma wielkość telefonu komórkowego i jest przeznaczone do łatwego pomiaru przez nie przeszkoloną osobę. Olej jest zakraplany na element optyczny (zwykle płytkę szklaną) stanowiący interfejs pomiarowy przyrządu.
Plazmoniczny rezonans powierzchniowy (PRP) w czujnikach światłowodowych jest metodą obecnie coraz częściej wykorzystywaną do pomiarów chemicznych i biologicznych. Plazmon powierzchniowy jest spolaryzowaną falą EM typu TE pobudzaną na granicy ośrodków metalu i dielektryka. PRP jest bardzo czułą metodą detekcji zmian refrakcji cienkiej warstwy ośrodka dielektrycznego przyległego bezpośrednio do nano-warstwy metalu. Najkorzystniejsza dla tego rodzaju pomiarów jest generacja rezonansu w paśmie widzialnym. Typowo jest on otrzymywany w zakresie IR np. 1,3…1,5 μm, gdyż dla pasma widzialnego wymagane są mniejsze, trudniejsze do wykonania, wymiary nano-struktur.
Rezonans plazmoniczny powierzchniowy zwykle jest uzyskiwany na mikrometrowym przewężeniu włókna optycznego pokrytyego nano-warstwą metalu (Au, Al o grubości kilku nm) i następnie nano-warstwą tlenku metalu (TiO2, ZnO, o grubości 10–30 nm). Talia przewężenia (30…10 μm) w dużym stopniu definiuje charakterystykę spektralną rezonansu i jej skupienie wokół pojedynczej długości fali, a wielo-warstwowa konstrukcja układu rezonansowego i grubość warstw definiuje położenie spektralne – główną długość fali. Zwykle rezonans był otrzymywany w pasmach telekomunikacyjnych, w tym 1300…1500 nm. Rezonans jest przesuwany spektralnie przez mierzone medium refrakcyjne, wokół głównej długości fali. Uzyskane czułości w paśmie widzialnym (dla długości fali w okolicy 500 nm) wynoszą ponad 2 μm na jednostkę refrakcji.
Do fotonicznej detekcji złożonych substancji biologicznych, z zastosowaniem powierzchniowego rezonansu plazmonicznego, konieczne jest zastosowanie bio-kompatybilnych substancji odpowiednich dla danego materiału. Stosuje się kombinacje strukturyzowanych kryształów koloidalnych oraz molekularnie znakowanych żeli. Są to trudne materiały do odpowiedniej immobilizacji, czy związania na światłowodzie w takim miejscu, gdzie jest zlokalizowany generator plazmoniczny (nanowarstwa metalu, np. Ag pokryta nanowarstwą silikonu). Detekcji podlegają takie substancje jak enzymy, specyficzne białka bakterii i wirusów, toksyny, witaminy w szczególności z grupy B jak ryboflawina B2 ale też B12 i wiele innych. Zwiększona koncentracja detekowanych substancji przesuwa widomo rezonansu plazmonicznego w kierunku dłuższych lub krótszych fal, w zależności od mechanizmu oddziaływania i zmiany refrakcji ośrodka inercyjnego.
Czułości pomiaru metodami fotoniczno–plazmonicznymi z wykorzystaniem selektywnych substancji (żeli, miękkich polimerów, kryształów koloidalnych) strukturyzowanych i znakowanych zaczynają być konkurencyjne wobec innych metod chemicznych stosowanych obecnie. Przykładowo, dla detekcji ryboflawiny czułość pomiaru wynosi ułamek μg/ml. Zakres pomiarowy jest od zera do kilkuset μg/ml. Przesunięcie fali rezonansu wynosi w tych warunkach kilka nm. Zasada działania od strony chemicznej jest następująca. Molekuła ryboflawiny (lub innej złożonej substancji biologicznej) oddziaływuje poprzez specyficzne miejsca wiązań spowodowane molekularnym znakowaniem. Detekcja zawartości ryboflawiny jest prowadzona on-line czujnikiem światłowodowym (lub klasycznie wyrywkowo w próbkach laboratoryjnych) w produktach spożywczych i niektórych farmaceutykach. Rezultatem sub-miniaturowych wymiarów czujnika fotoniczno-plazmonicznego jest jego znaczna szybkość działania i relatywnie bardzo krótki czas martwy oraz niskie koszty i przeznaczenie do jednorazowego użytku. Znaczną zaletą jest możliwość wprowadzenia sondy w miejsca trudno dostępne i prowadzenie monitoringu wielu zaawansowanych parametrów in-situ oraz on-line.
Światłowodowy czujnik plazmoniczny, w rozwiązaniu klasycznym, służy do detekcji wielu substancji gazowych i płynnych, Często spotykane rozwiązanie w takiej grupie czujników polega na obnażeniu płaszcza światłowodu (rodzaj światłowodu i jego dane techniczne są parametrami konstrukcyjnymi czujnika) na pewnej długości (która jest parametrem konstrukcyjnym), nałożeniu na rdzeń nanowarstwy metalu (parametrem jest rodzaj metalu i grubość nanowarstwy metalicznej) i pokryciu jej nanowarstwą dielektryka (parametrem jest rodzaj dielektryka i grubość nanowarstwy dielektrycznej). Powierzchnią czujnikową, zamiast obnażonego rdzenia, może być także zakończenie światłowodu, okienko w płaszczu itp. Taka grupa czujników pracuje na zasadzie przesunięcia częstotliwości rezonansu plazmonicznego przez obecność substancji mierzonej. Odczyt odbywa się metodą spektrometryczną.
Dla czujnika siarkowodoru stosowany jest układ warstw metal/dielektryk Cu/ZnO. Ten układ warstw jest czuły także na inne substancje. Obecność siarkowodoru zmienia stałą dielektryczną ZnO, co wpływa na nanowarstwę metalu poniżej i na jej rezonansowe właściwości plazmoniczne. Czujnik światłowodowy tego rodzaju nadaje się idealnie do zdalnych pomiarów koncentracji siarkowodoru w warunkach środowiskowych, pod warunkiem odpowiedniej optymalizacji komory pomiarowej do zastosowania (co nie jest zagadnieniem trywialnym), ze względu na możliwe pomiarowe wpływy pasożytnicze. Inne stosowane układy warstw to np.: Cu/Si, Cu/barwnik, Cu/indykator pH, itp. Do detekcji amoniaku zastosowano nanowarstwy metaliczne Cu i Ag na obnażonym rdzeniu, a indykatorem jest purpura bromokresolowa BCP (indykator pH zmieniający barwę od żółtej do purpurowej w zakresie pH 6,2…6,8). BCP zmienia stałą dielektryczną pod wpływem amoniaku. Detektor działał dla zakresu koncentracji gazowego amoniaku 1…10 ppm w temperaturze pokojowej.
Powierzchnię czołową światłowodu wykorzystuje się do immobilizacji indykatorów. Tak skonstruowany czujnik pracuje w układzie odbiciowym lub transmisyjnym. Parametrami procesu technologicznego są np. rodzaj matrycy immobilizującej i jej struktura, metoda immobilizacji – chemiczna, elektrostatyczna lub mechaniczna, rodzaj impregnatu, obecność ewentualnych aktywatorów i substancji pośredniczących, reagenty i substancje aktywne. Do detekcji par kwasów i zasad (a także innych substancji korozyjnych) stosuje się różnego rodzaju barwniki. Porfiryna jako materiał funkcjonalny jest nakładana miejscowo na obszar rdzenia światłowodu z użyciem wiązki światła UV w kilkuetapowym ciągu reakcji.
Wiązka UV z lasera He-Cd jest prowadzona z przeciwnego końca włókna. Funkcjonalne molekuły porfiryny z kąpieli CH2Cl2 osadzają się w sposób samo-organizacyjny i są ograniczone wyłącznie do obszaru rdzenia. Pary kwasu powodują (z porfiryną) powstanie agregatów-J, a pary zasad powodują – agregatów-H. Substancje te są dobrze rozróżniane spektralnie. Mechanizmy detekcji wykorzystują rezonansowe rozpraszanie światła, indywidualne charakterystyczne sygnatury absorpcyjne a także spektroskopię fluorescencyjną.
|
|
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
wstecz
