Оптический анализатор и способ изготовления его датчика Советский патент 1993 года по МПК G01N21/75 G01N21/61 

Изобретение относится к технике детектирования микроскопических количеств веществ в газовой и жидкой фазах и, в частности, позволяет фиксировать особо малые примеси вредных газов различной природы в атмосфере производственных помещений.

Целью изобретения - повышение чувст- вительнсти и стабильности сенсора. Другой целью является повышение удобств пользования устройством.

На фиг. 1 изображен химический сенсор; на фиг 2 установка для изготовления сенсора

Сенсор состоит из катушки 1(фиг. 1), на которую намотан волновод 2 так что обмотка имеет сетчатую ячеистую структуру, ис- точника света 3. дифракционного

монохроматора 4, соединенных с волноводом через оптические согласователи 5 и 6.

Установка для изготовления химического сенсора (фиг. 2) состоит из ванны 7 с жидкостью 8, на поверхности которой создают мономолекулярную пленку 9, подвижного барьера 10, системы роликов 11, измерителя поверхностного натяжения 12, пластины Вильгельми 13. устройства обратной связи 14, привода барьера 15 и источника ультрафиолетового или электронного облучения 16.

Сенсор изготавливают следующим образом.

На поверхность волновода любым из вакуумных методов, например плаэмохими- ческим. наносят тонкую металлическую пленку толщиной 50-200 нм. Затем поверха к N: а с

ность волновода с металлическим покрытием обрабатывают с гидрофобиэирующим раствором (например, раствором триметил- хлорсилана в толуоле). В специальной ванне

7(фиг, 2) или нескольких ваннах, если требуется нанести на волновод несколько альтернативных пленок Лэнгмюра-Блоджетт) на поверхность бидистиллированной воды

8наносят амфифильного вещества, содержащего химические группы, чувствительные к исследуемому газу, например, парфирин, фталоцианин,/б-каротин и др., в инертном растворителе, хлороформе, бензоле, толуоле, тетрагидрофуране, ацетоне. Концентрация растворенного вещества составляет 0,1-0,3 %. Для некоторых веществ с целью облегчения переноса на твердую подложку применяют добавки сокомпонен- тов, например жирных кислот, таких, как арахидоновая, стеариновая и др. Растекающуюся по поверхности воды пленку 9 сжимают подвижным барьером 10 до образования плотно упакованного монослоя. Затем волновод 2 с помощью системы роликов 11 пропускают через монослой перпендикулярно поверхности жидкости 8. При этом монослой переходит на поверхность волновода с сохранением молекулярной упаковки. Для поддержания постоянного поверхностного давления пленки в процессе ее нанесения используют измеритель поверхностного натяжения 12 с пластиной Вилыельми 13., Измеритель поверхностного натяжений 12 соединен посредством устройства обратной связи 14 с приводом барьера 15. Таким образом последовательно, слой за слоем, наносят необходимое число (от 2 до 100) ЛБ-пленок. Для повышения стабильности пленки ее можно полимеризо- вать ультрафиолетовым или электронным облучением при помощи источника 12. Волновод с нанесенной таким образом ЛБ-плен- кой наматывают на катушку 1 с перекрестным расположением витков так, чтобы между витками оставалось свободное пространство, в которое может проникать исследуемое вещество. Полученное мультислойное покрытие волновода обладает калиброванной с точноо

стью до 3-5 А толщиной и однородной бездефектной структурой. Толщина ЛБ-пленки

о

составляет 40-2000 А.

Сенсор работает следующим образом.

Катушку с волноводом помещают в исследуемую среду, например в атмосферу производственного помещения, или водную среду, которая может содержать микропримеси вредных веществ. По истечении некоторого времени, когда ЛБ-пленка в результате специфической хемосорбции поглотит некоторое количество исследуемой примеси, включают источник оптического излучения 3 (фиг. 1), функционирующий в

характерном для полос поглощения исследуемого вещества диапазоне длин волн, и согласованный с волноводом 2 при помощи оптического согласователя. Из спектра излучения на выходе волновода при помощи

дифракционного монохроматора 4, согласованного с волноводом посредством оптического согласователя 6, выделяется анализируемая узкая спектральная полоса, оптическая интенсивность которой измеряется детектором интенсивности.

В процессе распространения по волноводу светового пучка последний испытывает многократные внутренние отражения от поверхности раздела волновод/ЛБ-пленка.

При этом наблюдается эффект рассеяния оптического излучения на поверхностных плазменных волнах. Уравнение дисперсии поверхностного плазмона имеет вид:

25

К2 Ј

F. + 1

где ш - частота плазмона. равная рабочей

частоте источника света, г - диэлектрическая проницаемость металлической пленки. Вследствие возбуждения поверхностных плазмонов происходит возрастание локального поля световой волны, а также

комбинационное рассеяние молекул в ЛБ- пленке. Упомянутое возрастание комбинационного рассеяния адсорбированных молекул, сопровождаемое эффектом нарушенного полного внутреннего отражения,

приводит к появлению характерных пиков в оптическом спектре, детектируемым моно- хроматором и детектором интенсивности. По величине и положению данных пиков и определяют концентрацию исследуемой примеси.

Используя порфирины с разными заместителями в качестве сокомпонент ЛБ-пленки, получают сенсоры таких веществ, как HCI, HBr. NHj, N02. а применяя ЛБ-пленки из

фталоцианинов, детектируют N0. СО. 50з.

Катушку с волноводом помещают в специальную кассету. Имея набор сменных катушек с ЛБ-пленками. чувствительных к различным веществам, получают универсальный химический сенсор. Для определения концентрации исследуемого вещества достаточно вставить соответствующую катушку в кассету и измеритель интенсивность характеристической полосы излучения, прошедшего через волновод с помощью мсжо/ роматора.

Пример 1 На кварцевый оптический волновод диаметром 0.5 мм методом вакуумного магнетронного напыления наносят золотую пленку толщиной 50 нм. гидрофо- бизируют ее 2 %-ным раствором дихлорди- метилсилана в трихлорэтане и наносят на волновод по методу Лэнгмюра-Блсджетт при поверхностном давлении монослоя 23 мН/м 20 монослоев смеси арахидоновой кислоты (АК) и тетрафенил порфирина (ТФП) ( в соотношении молярных долей 8 : 1) с водной субфазы. Пленку АК/ТФП на поверхности водной субфазы образуют путем на- несения на последнюю АК/ТФП в хлороформе при концентрации 1 мг/см , после испарения хлороформа. Образовавшуюся пленку подвергают воздействию растворов ацетатов Cn. NI или Со с тем, чтобы образовался соответствующий метал- лопорфирин. Нанесенную ЛБ-пленку для повышения ее стабильности полимеризуют облучением ультрафиолетовым светом, поддерживая температуру пленки в пределах 20-25° С в течение 5-7 мин. Волновод наматывают перекрестным плетением на катушку диаметром 20 мм, длина волновода составляет 1 м. Катушку помещают в кассету, в которой имеются отверстия для свободного прохождения исследуемого вещества. Кассету с сенсором помещают в атмосферу, содержащую примесь HCI в концентрации 5 ррт. Изменение характеристической для HCI полосы в спектре излучения составляет 67 %. С помощью этого же сенсора определяют концентрацию HCI в воде, равную 10 ррт.

Пример 2. На кварцевый оптический волновод диаметром 0,4 мм методом вакуумного магнетронного напыления наносят золотую пленку толщиной 50 нм. гидрофо- бизируютее 1,5 %-нм раствором дихлорме- тилсилана в трихлорэтане и наносят на волновод 30 монослоев фталоциаиина в присутствии ионов Ge по методу Лэнгмюра- Блоджетт. При нанесении ЛБ-пленки ев полимеризуют ультрафиолетовым светом. При нанесении ЛБ-пленки ее полимеризуют ультрафиолетовым светом. Длина волновода составляет 0.80 м. Волновод наматывают

перекрестным плетением на катушку диа метром 20 мм. Катушку помещают в кассету с отверстиями для свободного проникновения исследуемого вещества. Кассету с сенсором помещают в атмосферу, содержащую примесь N02 а концентрации 10 ррт. Изменение интенсивности на характеристической для NO2 полосе поглощения в спектре излучения на выходе волновода составляет 55 %.

Формула изобретения

1.Оптический анализатор, содержащий оптически сопряженные источник излучения, датчик, выполненный в виде прозрачной подложки с нанесенными на нее иммерсионной металлической пленкой и чувствительным слоем из органического вещества, и детектор оптического излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он дополнительно содержит дифракционный монохроматор и два оптических согласователя, подложка датчика выполнена

в виде оптического волновода, в качестве чувствительного слоя выбрана пленка Лэнгмю- ра-блоджетт, а оптический волновод через оптические согласователи связан с источником излучения и дифракционным монохро- матором.

2.Анализатор поп. Т.отличающий- с я тем, что, с целью повышения удобства в использовании, датчик выполнен в виде катушки с намотанным на нее волноводом.

3.Анализатор по п. 2, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что. с целью повышения чувствительности, намотка катушки выполнена в виде сетчатой межвитковой структуры.

4.Способ изготовления датчика оптического анализатора, заключающийся в нанесении монослоев Лэнгмюра-Блоджетт на прозрачную подложку путем пропускания последней сквозь поверхность раздела жидкость - газ, отличающийся тем. что, с целью повышения чувствительности и стабильности, на подложку, выполненную в виде оптического волновода, наносят монослои Лэнгмюра-Блоджетт путем непрерывного протягивания волновода сквозь ряд поверхностей раздела жидкость - газ и одновременно облучают монослои ультрафиолетовым излучением.

Изобретение относится к технике детектирования микроскопических количеств веществ в газовой и жидкой фазах, в частности позволяет фиксировать особо малые примеси вредных газов в атмосфере производственных помещений. Сущность изобретения1 представляет собой оптический волновод с нанесенными на его поверхность металлической пленкой и мультислоями Лэнгмюра- Блоджетт. Волновод наматывают на катушку и оптически согласовывают с источником излучения и детектором Сменные катушки с волноводами, содержащие пленки с веществами, чувствительными к различным примесям, вставляют в кассету. Концентрацию исследуемой примеси определяют по изменению характеристической полосы в спектре оптического излучения, проходящего через волновод, после специфической хемосорбции примеси в ЛБ-пленке. 2 с. п , 2 з. п ф-лы, 2 ил

Фиг.1

л

7