PL227827B1

PL227827B1 - Method and system for measuring pH of a solution

Info

Publication number: PL227827B1
Application number: PL416993A
Authority: PL
Inventors: Damian Harasim; Piotr Kisała; Grzegorz Dziubiński; Sławomir Cięszczyk
Original assignee: Politechnika Lubelska
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2018-01-31
Also published as: PL416993A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ pomiaru stężenia kationów wodorowych H+ zwłaszcza do zastosowań w medycynie.The subject of the invention is a method and system for measuring the concentration of H + hydrogen cations, especially for applications in medicine.

Powszechnie stosowane są czujniki do pomiaru stężenia kationów wodorowych H+ polegające na zmianie barwy wskaźnika reagującego skokową zmianą zabarwienia w kontakcie z roztworem o pH równym lub większym od wartości granicznej. Najczęściej stosowane są w formie bibuły nasyconej roztworem wskaźnika pH, a następnie wysuszonej. W celu oszacowania wartości pH za pomocą papierka wskaźnikowego nasącza się go kilkoma roztworami różnych wskaźników, których wybarwienie różni się pod wpływem różnych wartości progowych stężenia kationów H+. Pomiar tą metodą może jedynie służyć do oszacowania wartości pH roztworu, dokładność metody jest niska.Commonly used are sensors for measuring the concentration of H + hydrogen cations, which consist in changing the color of the indicator reacting with a color step change in contact with a solution with a pH equal to or greater than the limit value. They are most often used in the form of blotting paper saturated with a pH indicator solution and then dried. In order to estimate the pH value, the indicator paper is soaked with several solutions of different indicators, the color of which differs under the influence of different threshold values of the concentration of H + cations. Measurement with this method can only be used to estimate the pH value of a solution, the accuracy of the method is low.

Znana jest również potencjometryczna metoda wyznaczania wartości pH roztworu, pozwalająca na znacznie dokładniejsze pomiary. Układ pomiarowy najczęściej składa się z czułego miniwoltomierza i elementu pomiarowego złożonego z elektrody odniesienia oraz elektrody pomiarowej - najczęściej szklanej. Układy pomiarowe tego typu z reguły charakteryzują się wysokim kosztem oraz ograniczonymi możliwościami miniaturyzacji.There is also a known potentiometric method of determining the pH value of a solution, allowing for much more accurate measurements. The measuring system most often consists of a sensitive mini-voltmeter and a measuring element consisting of a reference electrode and a measuring electrode - usually glass. Measurement systems of this type, as a rule, are characterized by a high cost and limited possibilities of miniaturization.

Z opisu patentowego amerykańskiego nr US7251384 znany jest czujnik pH roztworu wykorzystujący hydrożel uformowany w kształt dysków oraz światłowodową siatkę Bragga. W rozwiązaniu tym, przepływający przez czujnik roztwór o badanym stężeniu kationów wodorowych H+ powoduje pęcznienie dysków hydrożelowych o charakterystyczną dla danego pH wartość, co indukuje siłę ściskającą sprężynę, która dociska pęczniejące dyski. Zmiana odległości pomiędzy miejscami mocowania światłowodu jednomodowego z zapisaną siatką Bragga powodowana przez uwodnienie hydrożelu powoduje przesunięcie mierzonego widma.From US patent no. US7251384 there is known a solution pH sensor using a hydrogel formed in the shape of discs and an optical Bragg grating. In this solution, the solution with the tested concentration of hydrogen cations H + flowing through the sensor causes the hydrogel discs to swell at a pH-specific value, which induces a spring compression force that presses the swelling discs. The change in the distance between the places of fixing a single-mode fiber with a written Bragg grating caused by hydration of the hydrogel causes a shift of the measured spectrum.

Z amerykańskiego opisu patentowego US7961327 znany jest sposób oraz układ pomiaru pH roztworu wykorzystujący włókna światłowodowe. Światło emitowane przez źródło doprowadzane jest do badanego roztworu przez włókno wejściowe i przechodzi przez głowicę czujnika zawierającą szafirowe okno dla badanej cieczy. Światło odbite od roztworu rejestrowane jest przez zespół wielu włókien wyjściowych zawartych w głowicy czujnika. Moc światła odbitego rejestrowanego przez światłowody wyjściowe poddawana jest zamianie na sygnał elektryczny, który służy do określenia poziomu pH badanego roztworu.The American patent US7961327 discloses a method and system for measuring the pH of a solution using optical fibers. The light emitted by the source is supplied to the test solution through the input fiber and passes through a sensor head containing a sapphire window for the test liquid. The light reflected from the solution is captured by a plurality of output fibers contained in the sensor head. The power of the reflected light recorded by the output optical fibers is converted into an electrical signal, which is used to determine the pH level of the test solution.

Celem wynalazku jest miniaturyzacja czujnika umożliwiająca wykonywanie pomiarów pH błony śluzowej pacjenta przez wprowadzenie czujnika wprost do ciała badanej osoby oraz zdalnego odczytu mierzonej wartości.The aim of the invention is the miniaturization of the sensor that enables the measurement of the pH of the patient's mucosa by inserting the sensor directly into the body of the tested person and remotely reading the measured value.

Istotą sposobu pomiaru pH roztworu z wykorzystaniem substancji hydrożelowej oraz światłowodu jednomodowego z siatką Bragga według wynalazku jest to, że na światłowód jednomodowy w miejscu zapisu światłowodowej siatki Bragga o znanej centralnej długości fali nanosi się warstwę lepkiego hydrożelu o grubości 50 pm, po czym na warstwę hydrożelu nanosi się warstwę półprzepuszczalnego polimerowego tworzywa, a następnie całość umieszcza się w badanym roztworze na okres od 1 do 3 minut, korzystnie 2 minuty, po czym przez światłowód przepuszcza się światło ze źródła szerokopasmowego o zakresie spektralnym odpowiadającym długości fali Bragga znajdującej się w rdzeniu światłowodu i za pomocą analizatora widma optycznego mierzy się widmo transmisyjne siatki Bragga i porównuje się przesunięcie długości fali z zadanym widmem odniesienia. Zadane widmo odniesienia porównuje się z widmem zmierzonym za pomocą programu komputerowego.The essence of the method of measuring the pH of a solution using a hydrogel substance and a single-mode optical fiber with a Bragg grating according to the invention is that on a single-mode optical fiber at the recording point of the optical Bragg grating with a known central wavelength, a 50 µm thick layer of viscous hydrogel is applied, and then a layer of hydrogel is applied to the hydrogel layer a layer of semi-permeable polymer material is applied, and then the whole is placed in the test solution for a period of 1 to 3 minutes, preferably 2 minutes, and then light from a broadband source with a spectral range corresponding to the Bragg wavelength in the fiber core is transmitted through the optical fiber and the transmission spectrum of the Bragg grating is measured with an optical spectrum analyzer and the wavelength shift is compared with a given reference spectrum. The set reference spectrum is compared with the spectrum measured with the computer program.

Istotą układu do pomiaru pH roztworu posiadającego światłowód jednomodowy z wytworzoną siatką Bragga, materiał hydrożelowy, szerokopasmowe źródło światła, złącza optyczne i analizator widma optycznego według wynalazku jest to, że składa się z szerokopasmowego źródła światła połączonego za pomocą złącza optycznego z jednym końcem światłowodu jednomodowego, w którego rdzeniu wytworzona jest światłowodowa siatka Bragga, przy czym światłowód w miejscu siatki Bragga otoczony jest warstwą lepkiego hydrożelu, na którą naniesiona jest warstwa półprzepuszczalnego tworzywa polimerowego, zaś do drugiego końca światłowodu za pomocą złącza optycznego podłączony jest analizator widma optycznego.The essence of the system for measuring the pH of a solution having a single-mode optical fiber with a Bragg grating, a hydrogel material, a broadband light source, optical connectors and an optical spectrum analyzer according to the invention is that it consists of a broadband light source connected by an optical connector to one end of a single-mode optical fiber, in the core of which an optical Bragg grating is produced, the optical fiber at the Bragg grating location is surrounded by a layer of a viscous hydrogel on which a layer of semi-permeable polymer material is applied, and an optical spectrum analyzer is connected to the other end of the optical fiber by means of an optical connector.

Korzystnym skutkiem wynalazku jest to, że rozwiązanie pozwala na daleko idącą miniaturyzację czujnika, co pozwoli na wykonywanie pomiarów pH błony śluzowej bez potrzeby pobierania większej ilości roztworu. Konsekwencją miniaturyzacji oraz faktu, iż wszystkie elementy składowe czujnika wykorzystującego opisywany sposób pomiaru pH są obojętne dla organizmu człowieka, jest możliwość wprowadzenia takiego sensora wprost do ciała pacjenta oraz zdalne odczytanie poziomu pH badanegoThe advantageous effect of the invention is that the solution allows for a far-reaching miniaturization of the sensor, which will make it possible to measure the pH of the mucosa without the need to take a larger amount of solution. The consequence of miniaturization and the fact that all the components of the sensor using the described method of measuring the pH are neutral for the human body, is the possibility of introducing such a sensor directly into the patient's body and remote reading of the pH level of the tested person.

PL 227 827 B1 roztworu. Wynik pomiaru stanowi ważny element diagnozy medycznej szczególnie w przypadku pomiarów pH pochwy kobiet w ciąży. Przy zastosowaniu opisywanego sposobu pomiaru, ilość wykorzystanego hydrożelu jest stosunkowo niewielka, dzięki czemu czas nasiąkania substancji jest znacznie skrócony. Ponadto, zastosowanie światłowodowej siatki Bragga jako elementu pomiarowego pozwala na budowanie złożonych układów czujników mierzących różne wielkości, takie jak pH roztworu, naprężenia, temperaturę wykorzystujących pojedyncze włókno światłowodowe. Przy pomiarach stężenia kationów wodorowych H+ odczynników chemicznych, wykorzystanie odwracalności rozrostu substancji hydrożelowej po jej wysuszeniu pozwala na wielokrotne używanie tego samego czujnika.Solution. The measurement result is an important element of medical diagnosis, especially in the case of vaginal pH measurements of pregnant women. When using the described method of measurement, the amount of hydrogel used is relatively small, thanks to which the soaking time of the substance is significantly shortened. In addition, the use of an optical Bragg grating as a measuring element allows for the construction of complex sensor systems measuring various quantities, such as solution pH, stress, temperature, using a single optical fiber. When measuring the concentration of hydrogen cations H + of chemical reagents, the use of the reversibility of the growth of the hydrogel substance after its drying allows for the repeated use of the same sensor.

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania na schematycznym rysunku.The invention has been illustrated in an exemplary embodiment in a schematic drawing.

Sposób pomiaru pH roztworu wykorzystujący światłowodową siatkę Bragga i hydrożel polega na tym, że przez jednorodną światłowodową siatkę 2 Bragga zapisaną na standardowym światłowodzie 1 jednomodowym o średnicy 125 pm przepuszcza się światło o szerokim zakresie spektralnym odpowiadającym długości centralnej fali Bragga zastosowanej siatki 2 Bragga z szerokopasmowego źródła 6 światła. Widmo transmisyjne siatki 2 Bragga mierzone za pomocą analizatora 7 widma optycznego ulega przesunięciu pod wpływem naprężenia, jakiemu poddawana jest siatka 2 Bragga indukowanego przez pęcznienie otaczającej światłowód 1 substancji 3 hydrożelowej wrażliwej na zmiany pH otaczającego roztworu 5. Wielkość spęcznienia hydrożelu 3 w kontakcie z roztworem 5 jest tym większa, im wyższe jest stężenie kationów wodorowych w badanej cieczy. Wartość przesunięcia długości fali Bragga czujnika otoczonego badanym roztworem 5 odniesiona do długości fali Bragga czujnika pozostającego w otoczeniu obojętnym jest zależna od stężenia kationów wodorowych H+.The method of measuring the pH of a solution using an optical Bragg grating and a hydrogel consists in transmitting light with a wide spectral range corresponding to the central Bragg wavelength of the 2 Bragg grating from a broadband source through a uniform optical 2 Bragg grating recorded on a standard 1 single-mode optical fiber with a diameter of 125 µm. 6 lights. The transmission spectrum of the 2 Bragg grating measured with the optical spectrum analyzer 7 is shifted under the influence of the stress exerted by the 2 Bragg grating, induced by the swelling of the hydrogel substance 3 surrounding the optical fiber 1, sensitive to changes in the pH of the surrounding solution 5. The amount of swelling of the hydrogel 3 in contact with the solution 5 the higher the concentration of hydrogen cations in the tested liquid is. The value of the Bragg wavelength shift of the sensor surrounded by the test solution 5 relative to the Bragg wavelength of the sensor remaining in the inert environment depends on the concentration of H + hydrogen cations.

Układ do pomiaru pH roztworu wykorzystujący światłowodową siatkę Bragga oraz hydrożel według wynalazku zbudowany jest z szerokopasmowego źródła 6 światła, które przez złącze 8 optyczne oświetla światłowód 1 jednomodowy, na którym zapisana jest jednorodna światłowodowa siatka 2 Bragga o długości 1 centymetra. W miejscu zapisu siatki 2 Bragga światłowód 1 otoczony jest lepkim hydrożelem 3 wrażliwym na zmiany pH przesiąkającego go roztworu, który powleczony jest półprzepuszczalną osnową 4 polimerową, której zadaniem jest minimalizowanie ekspansji pęczniejącego hydrożelu 3 w kierunkach prostopadłych do osi światłowodu 1.The system for measuring the pH of a solution using a fiber Bragg grating and a hydrogel according to the invention is made of a broadband light source 6 which, through the optical junction 8, is illuminated by a single-mode fiber 1, on which a homogeneous fiber Bragg grating 2 with a length of 1 centimeter is recorded. At the point where the Bragg grating 2 is recorded, the optical fiber 1 is surrounded by a viscous hydrogel 3 sensitive to pH changes of the soaking solution, which is coated with a semi-permeable polymer matrix 4, the task of which is to minimize the expansion of the swellable hydrogel 3 in directions perpendicular to the axis of the optical fiber 1.

Drugi koniec światłowodu 1 jednomodowego dołączany jest za pomocą złącza 8 optycznego do analizatora 7 widma optycznego, za pomocą którego mierzone jest widmo transmisyjne siatki 2 Bragga. Długość centralnej fali Bragga, której przesunięcie jest zależne od zmiany p H roztworu obliczana jest na podstawie zmierzonego widma za pomocą programu komputerowego.The other end of the single-mode fiber 1 is connected by means of an optical connector 8 to an optical spectrum analyzer 7 with which the transmission spectrum of the Bragg grating 2 is measured. The central Bragg wavelength, the shift of which depends on the change in pH of the solution, is calculated on the basis of the measured spectrum by means of a computer program.

Claims

Method of measuring the pH of a solution using a hydrogel substance and a single-mode fiber with a Bragg grating, characterized in that a layer of viscous hydrogel (3) is applied to the single-mode optical fiber (1) at the recording point of the optical Bragg grating (2) with a known central wavelength thickness of 50 µm, then a layer of semipermeable polymer material (4) is applied to the hydrogel layer, and then the whole is placed in the test solution (5) for a period of 1 to 3 minutes, preferably 2 minutes, and then light is transmitted through the optical fiber from a broadband source (6) with a spectral range corresponding to the Bragg wavelength located in the fiber core and with the aid of an optical spectrum analyzer (7) the transmission spectrum of the Bragg grating (2) is measured and the wavelength shift is compared with a given reference spectrum.

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that a given reference spectrum is compared with a spectrum measured with the computer program.

3. A solution pH measurement system having a single-mode optical fiber with a Bragg grating fabric, a hydrogel material, a broadband light source, optical connectors and an optical spectrum analyzer, characterized in that it consists of a broadband light source (6) connected by an optical connector (8) to at one end of the single-mode optical fiber (1), the core of which is made of a fiber-optic Bragg grating (2) and the optical fiber (1) in the place of the Bragg grating (2) is surrounded by a layer of sticky hydrogel (3) on which a layer of semi-permeable material (4) is applied an optical spectrum analyzer (7) is connected to the other end of the optical fiber by means of an optical connector (8).