Реферат: Волоконно-оптичні сенсори контролю шкідливих хімічних компонентів
В даний час конструкція фазових датчиків на основі схеми інтерферометра Маха-Цендера найбільш відпрацьована.
Рис. 2.4. Типи волоконних інтерферометрів: а - інтерферометр Маха-Цендера: 1 - лазер; 2 і 7- підвідний і приймаючий випромінювання світловоди; 3 і 6 - Y-развітлювачі; 4 і 5 - опорний і сигнальний світловоди, 8 - фотоприйомний пристрій; б - інтерферометр Фабрі-Перо: 1 - лазер; 2 і 5 - підвідні і приймаючі випромінювання світловоди; 3 -напівпрозорі дзеркала; 4 - волоконний резонатор, 6- фотоприйомний пристрій; в - багатомодовий інтерферометр: 1 - лазер; 2 - багатомодовый світловод, 3 - фотоприйомний пристрій.
Ще один одноволоконний інтерферометр, що в даний час досить добре розроблений, - багатомодовий показаний на рис.2.4,в. Він представляє світловод, у якому збуджують два або кілька типів направляючих променів (мод), що різняться фазовими швидкостями поширення. На виході зі світловода між цими променями виникає різниця фаз. Вона дорівнює
де Δnэф - різниця ефективних показників заломлення мод. Як видно, різниця фаз між модами змінюється при зміні довжини волокна. Тому змінюється і картина інтерференції мод (див рис.2.4, в, внизу), що і використовується для реєстрації.
Варто сказати, що в стандартних світловодах різниця між фазовими швидкостями мод мала ( Δnэф << nэф ). Тому різниця фаз між ними в багатомодовому інтерферометрі росте повільно. Як наслідок - датчики на основі такого пристрою менш чуттєві до зовнішніх впливів, чим приймачі на основі інтерферометричних схем Маха-Цендера і Фабрі- Перо. Їхні переваги в простоті оптичної схеми, можливості використання недорогих низькокогерентних джерел, тобто, в низькій вартості.
РОЗДІЛ 3. ХІМІЧНІ СЕНСОРИ
3.1. Загальні відомості про хімічні сенсори
Протягом всієї історії аналітичної хімії одна з найважливіших її задач складалася і полягає в тому, щоб установлювати зв'язок між складом і якою-небудь легко вимірюваною властивістю і використовувати виявлені закономірності, тобто ці зв'язки, для розробки способів визначення концентрації і відповідних пристроїв. До цих пристроїв відносяться і датчики, або хімічні сенсори, що подають пряму інформацію про хімічний склад середовища (розчину), у яку занурений датчик, без добору аналізованої проби і її спеціальної підготовки. Термін "хімічний сенсор" з'явився порівняно недавно. Успіхи в суміжних областях (фізика твердого тіла, мікроелектроніка, мікропроцесорна техніка, матеріалознавство) привели до появи нового напрямку в аналітичній хімії - хімічних сенсорів (ХС). Сенсорні аналізатори можуть працювати автономно, без втручання оператора, причому передбачається, що вони зв'язані із системами нагромадження й автоматизованої обробки інформації. Значення ХС і створених на їхній основі аналізаторів у контролі стану середовища існування й охороні здоров'я людини важко переоцінити.
3.2.Принципи роботи і пристрій хімічних сенсорів
ХС складається з хімічного селективного шару датчика, що дає відгук на присутність обумовленого компонента і зміна його змісту, і фізичного перетворювача (трансдьюсера) [6]. Останній перетворить енергію, що виникає в ході реакції селективного шару з обумовленим компонентом, в електричний або світловий сигнал, що потім вимірюється за допомогою світлочутливого і/або електронного пристрою. Цей сигнал і є аналітичним, оскільки подає пряму інформацію про склад середовища (розчину). ХС можуть працювати на принципах хімічних реакцій, коли аналітичний сигнал виникає внаслідок хімічної взаємодії обумовленого компонента з чуттєвим шаром, або на фізичних принципах, коли виміряється фізичний параметр (поглинання або відображення світла, маса, провідність). У першому випадку чуттєвий шар виконує функцію хімічного перетворювача. Загальна схема функціонування ХС зображена на рис. 3.1.
Рис.3.1. Схема роботи хімічного сенсора: P - хімічно чуттєвий шар, П - перетворювач сигналу, Е - електронний блок.
Для підвищення вибірковості на вхідному пристрої ХС (перед хімічно чуттєвим шаром) можуть розміщатися мембрани, що селективно пропускають частки обумовленого компонента (іонообмінні, діалізні, гідрофобні й інші плівки). У цьому випадку обумовлена речовина дифундує через напівпроникну мембрану до тонкого шару хімічного перетворювача, у якому формується аналітичний сигнал на компонент. На основі ХС конструюють сенсорні аналізатори - прилади, призначені для визначення якої-небудь речовини в заданому діапазоні його концентрацій. Ці аналізатори можуть мати малі габарити (іноді наближаються до розмірів калькулятора або авторучки). Оскільки в їхній конструкції відсутні деталі, що перетерплюють механічний знос, пристрої характеризуются досить тривалим терміном експлуатації (до року і більш). Об'єднані в батарею і підключені до комп'ютера, ХС здатні забезпечити аналіз складних сумішей і дати диференційовану інформацію про зміст кожного компонента. У сенсорних аналізаторах вбудовані мікросхеми дозволяють вводити виправлення на зміну температури, вологості, враховувати вплив інших компонентів середовища, проводити градуюровку і настроювання нульового значення на шкалі показів.
Оптичні ХСпрацюють на принципах поглинання світла, або відображення первинного світлового потоку, або виникаючої люмінесценції. Ці сенсори нечуттєві до електромагнітних і радіаційних полів і здатні передавати аналітичний сигнал без спотворення на великі відстані. Крім того, вони мають невисоку вартість у порівнянні з електрохімічними сенсорами (ЕХС) і можуть конкурувати з останніми, особливо у випадках, коли застосування ЕХС неефективне. З оптичних ХС перспективні сенсори на основі волоконної оптики.
У волоконно-оптичнихх сенсорах (ВОС) на торці світловода закріплюється реагентвміщуюча фаза (РВФ). При описі таких пристроїв іноді використовують термін "оптрод", що є комбінацією слів "оптика" і "електрод". Цим підкреслюється, що ВОС по своєму призначенню близький до електродів, у тому числі і до тих, на основі яких функціонують ЕХС. Однак по природі сигналу і механізмові відгуку вони зовсім відмінні. Характеристика матеріалу світловода визначає оптичний діапазон і відповідно аналітичні можливості всього пристрою. Якщо оптичне волокно виготовлене з кварцу, то такий оптрод працює в широкій області спектра, включаючи ультрафіолетову його частину. Для скловолокна область довжин хвиль охоплює лише видиму область спектра. Якщо оптоволокно виготовлено з полімерного матеріалу (такі пристрої мають невисоку вартість), то діапазон довжин хвиль, у якій працює ВОС, перебуває за межами >450 нм.
Оптосенсори можуть бути оборотними і необоротними [6]. Сенсор оборотний, якщо РВФ не руйнується при її взаємодії з обумовленою речовиною. Якщо частина реагенту споживається в ході визначення, сенсор працює необратимо. На рис.3.2 приведена схема формування відгуку оборотного ВОС для визначення pН середовища, заснованого на поглинанні світла. Пристрій такого сенсора є досить простим: два пластикових волокна вмонтовані в целюлозну трубочку, що містить барвник фіолетовий червоний, іммобілізований за допомогою ковалентного зв'язування на поліакриламідних мікрокульках. Крім цих мікрокульок усередину трубочки поміщені такого ж розміру кульки з полістиролу для кращого розсіювання світла. Через одне волокно світло від вольфрамового джерела випромінювання входить, а через інше виходить. Інтенсивність вихідного потоку світла вимірюється детектором, настроєним на відповідну область довжин хвиль. Пробка на торці трубочки утримує РВФ механічно і перешкоджає її взаємодії з обумовленим компонентом у торцевій частині. Подібний оптрод може бути використаний і для визначення концентрації O2 . У цьому випадку сигнал зв'язаний з гасінням флуоресценції реагенту при взаємодії з киснем. Такого типу оптроди можуть бути використані і для визначення pН у живому організмі.
Необоротні оптроди через витрату РВФ мають обмежений термін служби. Однак його можна продовжити заміною РСФ на нову фазу. Стабільний сигнал від цих ВОС може бути отриманий лише в умовах стаціонарного масопереноса визначаємого компонента в зону його взаємодії з РВФ. Будь-яка перешкода, що порушує масоперенос, дає помилку в показаннях ВОС. На рис.3.3 показана схема роботи необоротного оптрода на кисень.
Рис.3.3. Схема роботи необоротного волоконно-оптичного сенсора на кисень.
Обумовлений компонент дифундує через селективну мембрану з відповідним розміром пор у порожнину, що містить іммобілізований флуоресціюючий барвник. Його світіння гаситься в присутності O2 пропорційно парціальному тискові кисню. Ступінь гасіння фіксується відповідним пристроєм. Якщо резервуар із РВФ досить великий, то споживання реагенту незначно і сенсорний пристрій може служити довго.
3.3.Волоконно-оптичний сенсор для контролю аміаку в повітрі
Плоскохвилеводний оптичний хімічний сенсор чотирьохшарової конструкції [6,7,8]: підкладка з плавленого кварцу, що відіграє роль посередника для введення світла в хвилевід через торець посередника; полімерний хвилевід з поліметилметакрилата товщиною 0,920 ± 0,014 мкм; чуттєвий шар - полідиметилсилоксан функціоналізований катіонами брильянтового зеленого (рис.3.4).
Рис.3.4.Чотирьохшарова конструкція плоскохвильового оптичного хімічного сенсора.
Зразки для вимірювання й обладнання. В якості підкладки можна використовувати диски плавленого кварцу діаметром 40 мм і товщиною 4 мм із відшліфованою бічною гранню. Товщина полімерних хвилеводів має бути рівною 100, 20 і 0,920 ± 0,014 мкм, ширина - близько 5 мм і довжина - 40 мм. Товщина полідиметилсилоксан (ПДМС) - плівки, визначена за спектрофотометрической методикою, склала 0.22 ± 0.02 мкм.
Вимірювальна система (рис.3.5) [9]. Джерело світла - твердотільний лазер з максимумом випромінювання 645 нм, фотоприймачі - ФЕП-106, спадання напруги на якому зчитувалось вольтметром У7-38, фотодіод ФД-256 і фотоприймач спектрофотометра СФ-46. Напруга живлення ФЕП: 1860 В від стабілізованого випрямляча ВР-22.
Рис.3.5. Вимірювальна система: 1 - зразок, 2- лазер, 3 - поворотний пристрій,