5.Химические волоконнооптические датчики

Достижения в технологии волоконной оптики позволило использовать световоды для определения загрязнений воды и воздуха (табл.4).

Таблица 4

Характеристики ВОД измерения концентрации веществ

Физический ¦Конструкция¦ Информативный ¦Тип оптической¦Чувстви ¦Погреш ¦

эффект,¦сенсора ¦параметр оптичес¦и электронной ¦тельность¦ность ¦

явлени妦кого излучения ¦ схемы ¦¦ ¦

Поглощение ¦многопроходные¦ интенсивность ¦ спектрометр ¦10_53_0... ¦

в растворах¦оптические ячейки ¦ ¦¦10_56_0¦ ¦

газах ¦подсоединяемые к ВС¦ ¦¦¦ ¦

Преломление¦ торец ВС, петля, ¦ интенсивность ¦дифференциаль

¦крутой изгиб ВС, ¦ ¦измеритель¦¦ ¦

¦элемент специальной¦ ¦интенсивности ¦¦ ¦

¦ формы ¦ ¦¦¦ ¦

Рассеяние ¦ оптические ¦ интенсивность ¦ нефеломет𠦦 ¦

¦ячейки¦ ¦¦¦ ¦

Двойное¦ оптические ¦ поляризация ¦ поляримет𠦦 ¦

лучепрелом ¦ячейки¦ ¦¦¦ ¦

ление ¦¦ ¦¦¦ ¦

Флуоресцен ¦ оптические ячейки,¦ интенсивность ¦ флуориметр ¦ 10_511 ¦ ¦

ция ¦ торец ВС,¦ ¦¦¦ ¦

¦ ВС без оболочки ¦ ¦¦¦ ¦

Спектроско ¦ сужение ВС, ¦ интенсивность ¦дифференциаль¦затухание¦ ¦

пия вытека ¦ ВС без оболочки ¦ ¦ный измеритель¦ в ВС¦ ¦

ющих волн ¦¦ ¦интенсивности ¦1...1000 ¦ ¦

¦¦ ¦¦ дБ/М¦ ¦

Воздействие¦ ВС с оболочкой, ¦ интенсивность ¦дифференциаль¦¦ ¦

вещества ¦ ВС без оболочки ¦ ¦ный измеритель¦¦ ¦

на оболочку¦¦ ¦интенсивности ¦¦ ¦

Изменение ¦ проницаемый ¦ интенсивность ¦дифференциаль¦ рН¦+_00,01 ¦

цвета ¦ контейнер с ¦ ¦ный измеритель¦ 7...7,4 ¦ рН ¦

индикатора ¦ индикатором ¦ ¦интенсивности ¦¦ ¦

Акусто¦резонансный акусти¦фаза ¦интерферометр ¦ 10_58_0... ¦ ¦

оптика¦ческий объем меха ¦ ¦¦_5 _010_510 ¦ ¦

¦нически связанный ¦ ¦¦¦ ¦

¦ с ВС¦ ¦¦¦ ¦

Применение волоконных трактов в составе спектрометров и хроматографов чрезвычайно расширяет технические возможности применения спектральных методов исследования веществ в промышленности. В частности, используя ВС, можно проводить измерения во многих точках одновременно.

Интересными возможностями обладают ВОД, в которых контролируемая среда изменяет граничные условия для распространения излучения. Так, в случае применения световодных структур, погруженных в контролируемое вещество, или ВС, освобожденных от оболочки, благодаря большой области взаимодействия можно обеспечить высокую чувствительность.Иногда диффузия вещества в оболочку вполне достаточна для работы ВОД [10].

Разновидностью рассматриваемых ВОД можно считать волоконные рефрактометры [40], в которых по величине отражения от торца ВС (или специального наконечника) определяют показатель преломления вещества и, таким образом, его состав. Для повышения чувствительности угол падения света на поверхность должен быть близок к критическому. Разрешение лучших волоконных рефрактометров составляет 10_54... 10_55 [10].

В сенсорах, разрабатываемых Sandia National Laboratory (США), на торец ВС наносится тонкий слой металла (Ni, Pb, Au или др.), который, взаимодействуя с исследуемой средой, изменяет коэффициент отражения света в световолокне. Например, нанесение слоя Au позволяет определять наличие ртути Нg по образованию амальгамы. Реализованы измерения Hg, NO2_0, H2_0S [41].

Специальные полимерные покрытия торца ВС позволяют обнаруживать органические растворители, трихлорэтилен. Получают развитие ВОД с полимерными покрытиями, в которых используют отражение как от металлического слоя, так и от полимеров, с измерением интерференции этих излучений. Например, полимеры типа тефлона не чувствительны к влаге, но чувствуют органические растворители (набухая и меняя коэффициент отражения) [41].

В [42] описан ВОД утечки сырой нефти, в составе которого используется ВС с эксцентрической оболочкой, на поверхность которой наносится слой вещества (акриловой смолы), поглощающего нефть.

При контакте оболочки ВС с сырой нефтью происходит изменение показателя преломления покрытия, сопровождающееся возникновением излучения через боковую поверхность ВС.

В ВОД [43] один из участков оболочки удаляется на длину 5 см. На место удаленной оболочки наносится мультибислои или органические соединения. При погружении в среду, рН которой изменяется в пределах 3...10, регистрируется интенсивность света, прошедшего через ВС. С изменением рН изменяется показатель преломления мультибислойного участка, что вызывает изменение пропускания света ВС.

В [44] описан автоматический спектрофотометрический прибор для определения НСN (6...30 7 106) в воздухе, основанный на изменении окраски слоя смолы ХАД7, пропитанной метилпиридином и барбитуровой кислотой, реагирующими с СlCN, с последующим измерением коэффициента отражения слоя реагента на торце ВС. Для уменьшения влияния изменения коэффициента отражения слоя реагента в результате старения, а также влияния изменения чувствительности фотодетектора и интенсивности источника излучения в прибор введены два источника излучения с длинами волн 560 нм (зеленый) и 635 нм (красный). Последний источник используют в качестве источника сравнения, поскольку здесь не происходит изменений отражательных свойств реагента. Оба фотодетектора состоят из стандартных кварцевых плоских фотодиодов и имеют идентичную электронику.

Реагент помещают в капсулу. Прибор работает в режиме сигнализации.

В [45] описана система спектрофотометрического анализатораизмерения продуктов горения, составной частью которой являются ВС. Благодаря определенности естественных частот колебаний каждого газа смеси и применению ВС с фиксированными частотами пропускания и МПсвязи состав анализируемой смеси определяется с высокой степенью точности.

В [46] описана методика изготовления флуоресцентных кварцевых ВС. С окончания кварцевого ВС на расстоянии 20... 40 мм удаляют защитную пластиковую оболочку, соскребают металлическим лезвием светоотражающее покрытие, обрабатывают оголенный участок в течение 30 минут горячим концентрированным раствором КОН, протравливают его 20 мин в HF, обмывают водой, обрабатывают 1 час свежеприготовленным раствором H2_0CrO4, обмывают водой, кипятят 2 часа с 6 М HCl, выдерживают в течение ночи в холодном HCl, обмывают водой и высушивают.Затем волокна помещают в 12% ный водный раствор 3аминопропилтриметоксисилана с рН 7 (H3PO4), нагревают 2 часа при 90_5o_0С, обмывают водой и высушивают. Волокно помещают в раствор 3 мг периленсульфоновой кислоты (I) в 10 мл воды (рН2), выдерживают 30... 60 _5o С, сушат при комнатной температуре и обмывают водой. Флуоресценция на окончании волокна возбуждается светом, проходящим по волокну. Она стабильна и может использоваться для определения гасящих флуоресценцию веществ (например, 0 нитротолуола) в атмосферном воздухе.

При низкой концентрации исследуемых веществ целесообразно применять многопроходные ячейки. Благодаря этому резко повышается чувствительность. Например, удается измерять концентрацию метана с погрешностью не более+_00,05 % при длине ВС до 3 км [47].

В биохимии и медицине важно контролировать содержание кислорода в крови, которое определяется на основе исследования спектральных характеристик гемоглобина в области 600... 700 нм, имеющих сильную зависимость от насыщенности кислородом крови. Измерения в этой области соотносятся с данными для l=930 нм, где коэффициент отражения не зависит от содержания кислорода [10].

Для измерения рН, рО2_0, рСО2 используют более сложные методы, основанные на применении обратимых реагентов. Так, для рН реагентом служит фенол. Он помещается в капсулу, проницаемую для контролируемого раствора. Внутри капсулы помещен ВС. Данный метод обеспечивает измерение рН в диапазоне значений 7... 7,4 с погрешностью не хуже 0,01... 0,001 ед. рН. При измерении рО2 и рСО2 реагентами служат флуоресцентные вещества, интенсивность свечения которых уменьшается при повышении давления. Диапазон измеряемых давлений при этом составляет 0... 20 кПа, а погрешность неболее 130 Па [10].

В последние годы исследуются молекулярные биосенсоры для определения ферментов, для контроля примесей в крови. Одним из ключевых факторов, способствовавших приходу биосенсоров в практику, стала возможность стабилизации биомолекул и прикрепление их к поверхности субстратов без потери активности. Химические связи, удерживающие молекулу белка в бусинках полимеров, могут "сшивать" участки белка таким образом, чтобы препятствовать его разворачиванию и увеличить сохранность или стойкость биосенсоров в течение длительного времени. В ряде случаев биосенсоры не теряли активности даже после года хранения. Дальнейшие исследования привели к созданию ряда детекторов и разработке технологии включения химических компонентов и интегральных схем в единую систему. Одной из областей применения биосенсоров являются флуориметры на ВС.