RU2626066C1 - Method of analysing analyte concentration and optical chemosensor - Google Patents
Method of analysing analyte concentration and optical chemosensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626066C1 RU2626066C1 RU2016108922A RU2016108922A RU2626066C1 RU 2626066 C1 RU2626066 C1 RU 2626066C1 RU 2016108922 A RU2016108922 A RU 2016108922A RU 2016108922 A RU2016108922 A RU 2016108922A RU 2626066 C1 RU2626066 C1 RU 2626066C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chemosensor
- film
- light source
- substances
- optical
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области технической физики, а именно к устройствам (сенсорам), предназначенным для анализа концентрации газообразных и жидких веществ. Решается проблема создания оптических хемосенсоров с высокой чувствительностью, быстродействием и селективностью, например, в целях мониторинга экологической безопасности промышленных и биомедицинских объектов.The invention relates to the field of technical physics, and in particular to devices (sensors) designed to analyze the concentration of gaseous and liquid substances. The problem of creating optical chemosensors with high sensitivity, speed and selectivity, for example, to monitor the environmental safety of industrial and biomedical facilities, is being solved.
Актуальность и практическая значимость данного изобретения обусловлена необходимостью поиска и разработки новых технологических процессов, позволяющих получать чувствительные материалы с заданными характеристиками. К настоящему времени разработано огромное количество самых разнообразных хемосенсоров. Одним из самых перспективных видов являются оптические хемосенсоры, которые имеют ряд преимуществ: они нечувствительны к электромагнитным и радиационным полям, способны передавать аналитический сигнал без искажения на большие расстояния и имеют невысокую стоимость.The relevance and practical significance of this invention is due to the need to search and develop new technological processes that allow to obtain sensitive materials with desired characteristics. To date, a huge number of the most diverse chemosensors have been developed. One of the most promising types is optical chemosensors, which have several advantages: they are insensitive to electromagnetic and radiation fields, capable of transmitting an analytical signal without distortion over long distances and have a low cost.
Решение этой проблемы имеет приоритетное значение для электронной промышленности, химической промышленности, нефтегазовой промышленности (добыча, транспортировка, хранение), экологии, медицины, военных технологий и др.The solution to this problem is of priority importance for the electronic industry, the chemical industry, the oil and gas industry (mining, transportation, storage), ecology, medicine, military technology, etc.
Настоятельная необходимость отслеживать все аспекты состояния окружающей среды в реальном времени постоянно растет, в то время как время отклика на воздействие аналита большинства существующих хемосенсоров велико. Постоянная времени (время измерения) электрохимических хемосенсоров составляет в среднем 45 секунд. Для ряда технологических процессов это недостаточно быстрый отклик на воздействие аналита. Кроме того, для большинства сенсоров время их работоспособности составляет примерно 1000 мг/м3 × 24 часа.The urgent need to monitor all aspects of the state of the environment in real time is constantly growing, while the response time to the analyte exposure of most existing chemosensors is long. The time constant (measurement time) of electrochemical chemosensors averages 45 seconds. For a number of technological processes, this is not a quick response to analyte exposure. In addition, for most sensors, their working time is approximately 1000 mg / m 3 × 24 hours.
Недостатком полупроводникового хемосенсора является практически полное отсутствие селективности.The disadvantage of a semiconductor chemosensor is the almost complete lack of selectivity.
Известно техническое решение, представленное в оптических устройствах типа эталона Фабри-Перо, обладающее высокой чувствительностью к изменению такого своего параметра, как оптическая длина. Рассматривается многолучевой интерферометр Люммера-Герке, который является по сути дела модификацией интерферометра Фабри-Перо (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Гл. ред. физ-мат. лит. Наука. 1970 г. - 856 с.). Он представляет собой длинную плоскопараллельную прозрачную для света пластинку. Внутри нее лучи многократно отражаются под углом, немного меньшим, чем угол полного внутреннего отражения. Поэтому после каждого отражения часть излучения выходит за пределы пластинки, образуя интерференционную картину. Преимуществом такого интерферометра является относительно большой коэффициент отражения от поверхностей, что увеличивает резкость интерференционной картины.A technical solution is known, presented in optical devices such as the Fabry-Perot etalon, which is highly sensitive to a change in its parameter such as optical length. We consider a multipath Lummer-Gercke interferometer, which is essentially a modification of the Fabry-Perot interferometer (Born M., Wolf E. Fundamentals of Optics. - M.: Edited by Phys.-Math. Lit. Science. 1970. - 856 pp. .). It is a long plane-parallel plate transparent to light. Inside it, the rays are repeatedly reflected at an angle slightly smaller than the angle of total internal reflection. Therefore, after each reflection, part of the radiation goes beyond the plate, forming an interference pattern. The advantage of such an interferometer is a relatively large coefficient of reflection from surfaces, which increases the sharpness of the interference pattern.
Недостатком известного технического решения является то, что число интерферирующих лучей ограничено и определяется соотношением между толщиной пластинки и ее длиной, что накладывает ограничения на разрешающую силу интерферометра, обладающей низкой чувствительностью.A disadvantage of the known technical solution is that the number of interfering rays is limited and is determined by the ratio between the plate thickness and its length, which imposes restrictions on the resolving power of the interferometer, which has low sensitivity.
Известно техническое решение, представленное в многолучевом светофильтре (Патент РФ №2515134, «Интерференционный многолучевой светофильтр (варианты)»; МПК: G02B 5/28, G01J 3/26, G01B 9/02; Опубликовано: 10.05.2014). Введенное в пленку излучение распространяется в ней под углом к поверхности пленки, граничащей с пластиной, меньшим угла полного внутреннего отражения, но большим угла полного внутреннего отражения второй поверхности пленки. Изобретение предназначено для использования в качестве светофильтра.A technical solution is known that is presented in a multipath filter (RF Patent No. 2515134, “Interference multipath filter (options)”; IPC:
Недостатком известного технического решения является то, что несмотря на высокий коэффициент отражения от одной поверхности, на которой свет испытывает полное внутреннее отражение, на другой грани пленки, примыкающей к подложке, коэффициент отражения трудно сделать достаточно большим, так как разница в их показателях преломления относительно невелика.A disadvantage of the known technical solution is that despite the high reflection coefficient from one surface on which the light experiences total internal reflection, on the other side of the film adjacent to the substrate, the reflection coefficient is difficult to make sufficiently large, since the difference in their refractive indices is relatively small .
Известно техническое решение, представленное в сенсоре для микрогазовой хромотографии, использующем интерференцию Фабри-Перо. (Karthik Reddy, Yunbo Guo, Jing Liu, Wonsuk Lee, Maung Kyaw Khaing Oo and Xudong Fan. Rapid, sensitive, and multiplexed on-chip optical sensors for micro-gas chromatography. The Royal Society of Chemistry Lab Chip, 2012, 12, 901-905 - 901). (Патент US 2013169970 «Composite 
Недостатком известного технического решения является относительно малая чувствительность, связанная с низким коэффициентом френелевского отражения света от граней пленки (единицы процентов). Другим недостатком является малая площадь поверхности взаимодействия аналита с пленкой, приводящая к увеличению времени отклика на воздействие аналита и снижению чувствительности. Кроме этого применение спектрографа существенно усложняет и удорожает прибор.A disadvantage of the known technical solution is the relatively low sensitivity associated with a low coefficient of Fresnel reflection of light from the edges of the film (unit percent). Another disadvantage is the small surface area of the interaction of the analyte with the film, which leads to an increase in the response time to the influence of the analyte and a decrease in sensitivity. In addition, the use of a spectrograph significantly complicates and increases the cost of the device.
Перед авторами ставилась задача - разработать способ анализа концентрации аналита газообразных или жидких веществ и оптический хемосенсор для его осуществления.The authors were tasked with developing a method for analyzing the analyte concentration of gaseous or liquid substances and an optical chemosensor for its implementation.
Поставленная задача решается тем, что в способе анализа концентрации аналита, включающем в себя использование оптического хемосенсора, содержащего источник света, блок закачки исследуемой смеси веществ, полую герметичную камеру, которая выполнена с входом и выходом для прокачки исследуемой смеси веществ, подложку с нанесенной на нее хемосенсорной пленкой, которая выполнена расположенной на внутренней нижней стороне полой герметичной камеры, закачку исследуемой смеси веществ в полую герметичную камеру, обеспечение прокачки исследуемой смеси веществ через полую герметичную камеру, введение излучения от источника света, при этом дополнительно оптический хемосенсор оснащают линзой, которую выполняют фокусирующей излучение света от источника света на хемосенсорной пленке под углом больше полного внутреннего отражения, фотоприемником, который выполняют детектирующим изменение углового положения многолучевой интерференционной картины, возникающей при отражении света от хемосенсорной пленки, а подложку выполняют в виде стеклянной призмы с основанием, расположенным на внутренней нижней стороне полой герметичной камеры, при этом стеклянная призма оптически связана с источником света через линзу с фотоприемником, при этом основание стеклянной призмы выполняют в виде высокоотражающего зеркала, блок закачки исследуемой смеси веществ оснащают узлом осушения воды, при этом дополнительно осушают исследуемую смесь веществ, излучение света от источника света фокусируют на хемосенсорной пленке под углом больше полного внутреннего отражения посредством линзы, детектируют изменение углового положения многолучевой интерференционной картины, возникающей при отражении света от хемосенсорной пленки посредством фотоприемника, при этом хемосенсорную пленку выполняют из кремнеземных монодисперсных шариков размером в диапазоне 245-255 нм, уложенных в регулярную гексагональную структуру, далее узел осушения воды выполняют содержащим твердый едкий калий, фотоприемник выполняют в виде позиционно-чувствительного датчика, при этом источник света выполняют в виде лазера либо источник света выполняют в виде лампы накаливания.The problem is solved in that in the method of analyzing the analyte concentration, including the use of an optical chemosensor containing a light source, an injection unit for the test mixture of substances, a hollow sealed chamber, which is made with an input and output for pumping the test mixture of substances, a substrate coated with it chemosensor film, which is made located on the inner lower side of the hollow sealed chamber, the injection of the test mixture of substances into the hollow sealed chamber, ensuring pumping is investigated mixture of substances through a hollow sealed chamber, the introduction of radiation from a light source, while an additional optical chemosensor is equipped with a lens that focuses the radiation of light from a light source on a chemosensor film at an angle greater than total internal reflection, with a photodetector that detects a change in the angular position of the multipath interference the pattern that occurs when light is reflected from a chemosensory film, and the substrate is made in the form of a glass prism with a base located on the inner bottom side of the hollow sealed chamber, while the glass prism is optically connected to the light source through a lens with a photodetector, while the base of the glass prism is made in the form of a highly reflective mirror, the pumping unit for the studied mixture of substances is equipped with a drainage unit for water, while the tested mixture of substances is additionally dried , the light emission from the light source is focused on the chemosensor film at an angle greater than the total internal reflection by means of a lens, a change in the angular position of many a radiation interference pattern arising from the reflection of light from a chemosensor film by means of a photodetector, while the chemosensor film is made of silica monodisperse beads sized in the range of 245-255 nm, laid in a regular hexagonal structure, then the dehydration unit of water is made containing solid caustic potassium, the photodetector is made in the form of a position-sensitive sensor, while the light source is in the form of a laser or the light source is in the form of an incandescent lamp.
Способ реализуется с помощью оптического хемосенсора, содержащего источник света, блок закачки исследуемой смеси веществ, полую герметичную камеру, которая выполнена с входом и выходом для прокачки исследуемой смеси веществ, подложку с нанесенной на нее хемосенсорной пленкой, которая выполнена расположенной на внутренней нижней стороне полой герметичной камеры, при этом он дополнительно оснащен линзой, выполненной фокусирующей излучение света от источника света на хемосенсорной пленке под углом больше полного внутреннего отражения, фотоприемником, выполненным детектирующим изменение углового положения многолучевой интерференционной картины, возникающей при отражении света от хемосенсорной пленки, а подложка выполнена в виде стеклянной призмы с основанием, расположенным на внутренней нижней стороне полой герметичной камеры, при этом стеклянная призма оптически связана с источником света через линзу с фотоприемником, при этом основание стеклянной призмы выполнено в виде высокоотражающего зеркала, блок закачки исследуемой смеси веществ оснащен узлом осушения воды, при этом хемосенсорная пленка выполнена из кремнеземных монодисперсных шариков размером в диапазоне 245-255 нм, уложенных в регулярную гексагональную структуру, далее узел осушения воды выполнен содержащим твердый едкий калий, фотоприемник выполнен в виде позиционно-чувствительного датчика, при этом источник света выполнен в виде лазера либо источник света выполнен в виде лампы накаливания.The method is implemented using an optical chemosensor containing a light source, an injection unit for the test mixture of substances, a hollow sealed chamber, which is made with an entrance and exit for pumping the test mixture of substances, a substrate with a chemosensor film deposited on it, which is made located on the inner underside of the hollow sealed camera, while it is additionally equipped with a lens made focusing the radiation of light from a light source on the chemosensor film at an angle greater than the total internal reflection, a photodetector that detects a change in the angular position of the multipath interference pattern that occurs when light is reflected from the chemosensor film, and the substrate is made in the form of a glass prism with a base located on the inner lower side of the hollow sealed chamber, while the glass prism is optically connected to the light source through a lens with photodetector, while the base of the glass prism is made in the form of a highly reflective mirror, the pumping unit for the studied mixture of substances is equipped with a drainage unit in while the chemosensor film is made of monodisperse silica beads of size in the range of 245-255 nm, laid in a regular hexagonal structure, then the water drainage unit is made up of solid caustic potassium, the photodetector is made in the form of a position-sensitive sensor, and the light source is made in in the form of a laser or a light source made in the form of an incandescent lamp.
Технический эффект заявляемого технического решения заключается в увеличении чувствительности и селективности молекул газов или жидкостей в анализируемом аналите, повышении быстродействия, а также в упрощении конструкции и расширении ассортимента устройств данного назначения.The technical effect of the proposed technical solution is to increase the sensitivity and selectivity of gas or liquid molecules in the analyte to be analyzed, increase speed, and also to simplify the design and expand the range of devices for this purpose.
Заявляемый способ анализа концентрации аналита реализуется с помощью оптического хемосенсора, устройство которого поясняется блок-схемой, представленной на фиг. 1, где 1 - блок закачки исследуемой смеси веществ; 2 - узел осушения воды, 3 - полая герметичная камера; 4 - стеклянная призма, 5 - высокоотражающее зеркало; 6 - хемосенсорная пленка; 7 - источник света; 8 - линза; 9 - фотоприемник; 10 - система обработки данных.The inventive method for analyzing analyte concentration is implemented using an optical chemosensor, the device of which is illustrated in the flowchart shown in FIG. 1, where 1 is the injection unit of the investigated mixture of substances; 2 - site drainage of water, 3 - hollow sealed chamber; 4 - glass prism, 5 - highly reflective mirror; 6 - chemosensory film; 7 - light source; 8 - lens; 9 - photodetector; 10 - data processing system.
На фиг. 2. Представлены: а - зависимость коэффициента отражения R хемосенсорной пленки от угла распространения света ϕ внутри хемосенсорной пленки 6 - отражение Френеля; в - полное внутреннее отражение.In FIG. 2. Presented: a - dependence of the reflection coefficient R of the chemosensor film on the angle of light propagation ϕ inside the chemosensor film 6 - Fresnel reflection; c - total internal reflection.
На фиг. 3. Представлена временная зависимость отклика оптического хемосенсора на воздействие аналита.In FIG. 3. The time dependence of the response of an optical chemosensor to an analyte is presented.
Заявляемый способ анализа концентрации аналита, основанный на использовании оптического хемосенсора, работает следующим образом. В качестве сенсорного элемента используется кремнеземная хемосенсорная пленка в которой происходит многолучевая интерференция Фабри-Перо, отклик которой на воздействие аналита используется как сигнал оптического хемосенсора. Через вход блока закачки исследуемой смеси веществ 1, который оснащен узлом осушения воды 2, производится закачка исследуемой смеси веществ в полую герметичную камеру 3, которая выполнена с входом и выходом для прокачки исследуемой смеси веществ. Узел осушения воды 2 содержит едкий калий для уменьшения содержания водяных паров в исследуемой смеси веществ. Далее производится прокачка исследуемой смеси веществ через полую герметичную камеру 3 на выход. Расположенную на внутренней нижней стороне полой герметичной камеры 3 подложку с нанесенной на нее хемосенсорной пленкой выполняют в виде стеклянной призмы 4, причем основание стеклянной призмы расположено на внутренней нижней стороне полой герметичной камеры 3. Основание стеклянной призмы 4 выполнено в виде высокоотражающего зеркала 5, являющегося одновременно одной из двух отражающих поверхностей хемосенсорной пленки (хемосенсорная пленка находится в оптическом контакте с поверхностью высокоотражающего зеркала, и высокоотражающее зеркало становится второй отражающей поверхностью хемосенсорной пленки) для увеличения контраста интерференционной картины, причем хемосенсорная пленка 6 выполнена из кремнеземных монодисперсных шариков размером в диапазоне 245-255 нм, что меньше длины волны видимого света (это позволяет избавиться от рассеяния света на поверхности хемосенсорной пленки), уложенных в регулярную гексагональную структуру, позволяющую достигнуть хорошего оптического качества хемосенсорной пленки за счет высокой плоскостности такой кристаллоподобной структуры и малого рассеяния света на поверхности хемосенсорной пленки.The inventive method of analyzing the analyte concentration, based on the use of an optical chemosensor, works as follows. As a sensor element, a silica chemosensor film is used in which multipath Fabry-Perot interference occurs, the response of which to the influence of the analyte is used as a signal of an optical chemosensor. Through the inlet of the injection unit of the test mixture of
Далее осуществляют введение излучения от источника света 7. Источник света 7 может быть выполнен в виде лазера либо в виде лампы накаливания. Излучение света от источника света 7 направляется через сторону стеклянной призмы 4, через линзу 8, через высокоотражающее зеркало 5 таким образом, чтобы излучение света фокусировалось на хемосенсорной пленке 6 под таким углом, чтобы угол отражения ϕ (фиг 2в) от поверхности хемосенсорной пленки, не прилегающей к высокоотражающему зеркалу, был больше угла полного внутреннего отражения.Next, radiation is introduced from the
В отраженном излучении света в результате многолучевой интерференции формируется угловой спектр в соответствие с фиг. 2а, который регистрируется фотоприемником 9, выполненным детектирующим изменение углового положения многолучевой интерференционной картины, возникающей при отражении света от хемосенсорной пленки 6 и далее обрабатывается в системе обработки данных 10. Фотоприемник 9 выполняют в виде позиционно-чувствительного датчика. Таким образом, применение фотоприемника 9 позволило избавиться от дорогостоящего спектрометра, использование многолучевой интерференции позволяет относительно простыми методами, т.е. не прибегая к прецизионным спектральным приборам, достигать высокой чувствительности оптического хемосенсора.In the reflected light emission as a result of multipath interference, an angular spectrum is formed in accordance with FIG. 2a, which is detected by a photodetector 9, which detects a change in the angular position of the multipath interference pattern that occurs when light is reflected from the
Большая величина резкости интерференционной картины, а следовательно, высокая чувствительность оптического хемосенсора достигается за счет высокого отражения излучения света, распространяющегося внутри хемосенсорной пленки, от ее поверхностей.A large value of the sharpness of the interference pattern, and therefore, the high sensitivity of the optical chemosensor, is achieved due to the high reflection of the radiation of light propagating inside the chemosensor film from its surfaces.
Результат достигается за счет максимального использования возможностей оптических интерференционных методов. Работа оптического хемосенсора основана на четырех основных принципах:The result is achieved due to the maximum use of the capabilities of optical interference methods. The operation of an optical chemosensor is based on four basic principles:
1. Использование многолучевой интерференции света.1. The use of multipath interference of light.
2. Максимально большой коэффициент отражения лучей, распространяющихся в хемосенсорной пленке за счет полного внутреннего отражения на одной грани пленки и дополнительного высокоотражающего покрытия подложки, примыкающей к другой грани.2. The maximum possible reflection coefficient of the rays propagating in the chemosensor film due to total internal reflection on one face of the film and an additional highly reflective coating on the substrate adjacent to the other face.
3. Использование в качестве хемосенсорной пленки опалоподобной кремнеземной пленки с высоким оптическим качеством поверхности и плоскопараллельностью3. The use as a chemosensor film of an opal-like silica film with high optical surface quality and plane parallelism
4. Использование эффекта капиллярной конденсации аналита в порах кремнезема.4. Using the effect of capillary condensation of the analyte in the pores of silica.
Известные схемы построения оптических хемосенсоров на основе многолучевой интерференции Фабри-Перо или Люммера -Герке (фиг. 2а) обладают рядом недостатков, не позволяющих в полной мере реализовать возможности, заложенные в самом методе.Known schemes for constructing optical chemosensors based on multipath interference by Fabry-Perot or Lummer-Gercke (Fig. 2a) have several disadvantages that do not allow to fully realize the possibilities inherent in the method itself.
На фиг. 2а представлена зависимость коэффициента отражения света R от угла ϕ распространения света в хемосенсорной пленке, описываемая формулой Эйри.In FIG. Figure 2a shows the dependence of the light reflection coefficient R on the angle ϕ of light propagation in a chemosensor film described by the Airy formula.
где r1, r2 - коэффициенты отражения от граней хемосенсорной пленки; n - показатель преломления хемосенсорной пленки; d - толщина пленки; λ - длина волны света; ϕ - угол распространения света в пленке.where r 1 , r 2 are the reflection coefficients from the faces of the chemosensory film; n is the refractive index of the chemosensory film; d is the film thickness; λ is the wavelength of light; ϕ is the angle of light propagation in the film.
Низкий коэффициент отражения Френеля на границе раздела с поверхностью хемосенсорной пленки при малых углах ϕ приводит к малой крутизне интерференционных пиков (фиг. 2б). Другими словами резкость интерференционной картины f=4r/(1-r)2 мала. В отличие от традиционных схем (фиг. 2б) предлагается оптическая схема, в которой лучи, распространяющиеся в хемосенсорной пленке, испытывают полное внутреннее отражение на свободной грани хемосенсорной пленки и близкое к единице отражение от зеркальной поверхности подложки (фиг. 2в). Это приводит к существенному увеличению чувствительности такого оптического хемосенсора, что видно по увеличению крутизны пиков (фиг. 2в). Такой режим невозможно осуществить при падении света из воздуха в хемосенсорную пленку (фиг. 2б), т.к., даже при скользящем падении угол распространения в хемосенсорной пленке меньше угла полного внутреннего отражения.The low Fresnel reflection coefficient at the interface with the surface of the chemosensor film at small angles ϕ leads to a small steepness of the interference peaks (Fig. 2b). In other words, the sharpness of the interference pattern f = 4r / (1-r) 2 is small. In contrast to traditional schemes (Fig. 2b), an optical scheme is proposed in which the rays propagating in a chemosensor film experience total internal reflection on the free face of the chemosensor film and a reflection close to unity from the mirror surface of the substrate (Fig. 2c). This leads to a significant increase in the sensitivity of such an optical chemosensor, as can be seen from the increase in the steepness of the peaks (Fig. 2c). Such a regime cannot be realized when light from air falls into the chemosensor film (Fig. 2b), because, even with a sliding fall, the propagation angle in the chemosensor film is less than the angle of total internal reflection.
В предлагаемом техническом решении хемосенсорный элемент, выращенный на зеркальной подложке стеклянной призмы в виде хемосенсорной пленки, состоит из кремнеземных монодисперсных шариков размером в диапазоне 245-255 нм, уложенных в регулярную гексагональную структуру. Это приводит к тому, что хемосенсорная пленка пористая и обладает высоким оптическим качеством, а именно высокой плоскопараллельностью и малым рассеянием света.In the proposed technical solution, a chemosensor element grown on a mirror substrate of a glass prism in the form of a chemosensor film consists of silica monodisperse balls with sizes in the range of 245-255 nm, stacked in a regular hexagonal structure. This leads to the fact that the chemosensor film is porous and has a high optical quality, namely, high plane parallelism and low light scattering.
Интерференционные фотоприемники основаны на измерении изменения оптического пути света, распространяющегося в хемосенсорной пленке под действием окружающей среды. В понятие «оптический путь» входит произведение длины на показатель преломления, которые могут изменяться независимо. Значения показателя преломления различных газов очень малы и отличаются в четвертом знаке после запятой. Поэтому в этом случае отклик на воздействие аналита такого оптического хемосенсора при изменении показателя преломления очень мал. В предлагаемом устройстве происходит изменение оптической длины связано с увеличением расстояния между кремнеземными шариками в хемосенсорной пленке. При воздействии жидких аналитов происходит отклик хемосенсорной пленки в основном на изменение ее показателя преломления.Interference photodetectors are based on measuring changes in the optical path of light propagating in a chemosensor film under the influence of the environment. The concept of “optical path” includes the product of length and the refractive index, which can be changed independently. The refractive indices of various gases are very small and differ in the fourth decimal place. Therefore, in this case, the response to the analyte exposure of such an optical chemosensor when the refractive index is changed is very small. In the proposed device, a change in the optical length occurs due to an increase in the distance between the silica balls in the chemosensor film. When exposed to liquid analytes, the response of the chemosensor film occurs mainly on a change in its refractive index.
Материал кремнезем, из которого изготовлена хемосенсорная пленка, обладает высокой адсорбцией сильнополярных молекулярных газов, таких как пары аммиака и воды. В хемосенсорной пленке кремнеземная структура находится в виде не очень сильно связанных между собой шариков. В этом случае процесс адсорбции аналита на поверхности завершается так называемой капиллярной конденсацией - дополнительным затягиванием паров аналита в область сильно искривленной поверхности в месте соприкосновения шариков и образованием жидкой фазы. Ключевым моментом является то, что связь между шариками не очень сильна, и поэтому капиллярная конденсация приводит к расталкиванию шариков, увеличивая толщину хемосенсорной пленки, а следовательно, и оптический путь света в хемосенсорной пленке. Время отклика на воздействие аналита такого оптического хемосенсора составляет величину около 100 мс (фиг. 3).The silica material of which the chemosensory film is made has a high adsorption of highly polar molecular gases, such as ammonia and water vapors. In the chemosensor film, the silica structure is in the form of balls not very tightly interconnected. In this case, the process of analyte adsorption on the surface is completed by the so-called capillary condensation - additional pulling of the analyte vapor into the region of the strongly curved surface at the contact point of the balls and the formation of a liquid phase. The key point is that the connection between the balls is not very strong, and therefore capillary condensation leads to repulsion of the balls, increasing the thickness of the chemosensor film and, consequently, the optical path of light in the chemosensor film. The response time to the analyte exposure of such an optical chemosensor is about 100 ms (Fig. 3).
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016108922A RU2626066C1 (en) | 2016-03-11 | 2016-03-11 | Method of analysing analyte concentration and optical chemosensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016108922A RU2626066C1 (en) | 2016-03-11 | 2016-03-11 | Method of analysing analyte concentration and optical chemosensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2626066C1 true RU2626066C1 (en) | 2017-07-21 |
Family
ID=59495665
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016108922A RU2626066C1 (en) | 2016-03-11 | 2016-03-11 | Method of analysing analyte concentration and optical chemosensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2626066C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2734499C1 (en) * | 2019-12-23 | 2020-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Chemosensors based on europium (ii) carboxylatodibenzoylmethanates for determining ammonia and amines |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2158916C1 (en) * | 1996-07-11 | 2000-11-10 | ИЦБ Институт фюр Хемо-унд Биосенсорик Мюнстер Э.Ф. | Device and method of quantitative analysis of affinity with use of fluorescent marks |
| RU2427822C1 (en) * | 2009-12-03 | 2011-08-27 | Учреждение Российской академии наук Центр фотохимии РАН | Method for analysing content of volatile organic compounds in gaseous medium, and matrix analyser used for its implementation |
| US20110228279A1 (en) * | 2009-12-02 | 2011-09-22 | University Of Hawaii | Fabry-perot fourier transform spectrometer |
| WO2012094603A1 (en) * | 2011-01-06 | 2012-07-12 | Georgia State University Research Foundation, Inc. | Chemosensors for hydrogen sulfide |
-
2016
- 2016-03-11 RU RU2016108922A patent/RU2626066C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2158916C1 (en) * | 1996-07-11 | 2000-11-10 | ИЦБ Институт фюр Хемо-унд Биосенсорик Мюнстер Э.Ф. | Device and method of quantitative analysis of affinity with use of fluorescent marks |
| US20110228279A1 (en) * | 2009-12-02 | 2011-09-22 | University Of Hawaii | Fabry-perot fourier transform spectrometer |
| RU2427822C1 (en) * | 2009-12-03 | 2011-08-27 | Учреждение Российской академии наук Центр фотохимии РАН | Method for analysing content of volatile organic compounds in gaseous medium, and matrix analyser used for its implementation |
| WO2012094603A1 (en) * | 2011-01-06 | 2012-07-12 | Georgia State University Research Foundation, Inc. | Chemosensors for hydrogen sulfide |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2734499C1 (en) * | 2019-12-23 | 2020-10-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Chemosensors based on europium (ii) carboxylatodibenzoylmethanates for determining ammonia and amines |
| RU2734499C9 (en) * | 2019-12-23 | 2020-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Chemosensors based on europium (iii) carboxylatodibenzoylmethanates for determining ammonia and amines |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11187652B2 (en) | Method and spectrometer apparatus for investigating an infrared absorption of a sample | |
| De Cumis et al. | Widely-tunable mid-infrared fiber-coupled quartz-enhanced photoacoustic sensor for environmental monitoring | |
| WO2018009953A1 (en) | Photothermal interferometry apparatus and method | |
| US10514299B2 (en) | Multiple laser optical feedback assisted cavity enhanced absorption spectroscopy systems and methods | |
| CN104697951A (en) | Measuring water vapor in hydrocarbons | |
| JPH06341894A (en) | Optical sensor for detecting chemical substrate | |
| Gupta et al. | Absorption spectroscopy in microfluidic flow cells using a metal clad leaky waveguide device with a porous gel waveguide layer | |
| Haas et al. | Sensing chlorinated hydrocarbons via miniaturized GaAs/AlGaAs thin-film waveguide flow cells coupled to quantum cascade lasers | |
| Zhang et al. | Plasmonic external cavity laser refractometric sensor | |
| Pi et al. | Theoretical and experimental investigation of on-chip mid-infrared chalcogenide waveguide CH4 sensor based on wavelength modulation spectroscopy | |
| Winkowski et al. | Optical detection of formaldehyde in air in the 3.6 µm range | |
| US20090066957A1 (en) | Method and Apparatus for Sensing a Target Substance by Analysing Time Series of Said Target Substance | |
| US9671335B2 (en) | Photonics integrated interferometric system and method | |
| Zheng et al. | Silicon substrate-integrated hollow waveguide for miniaturized optical gas sensing | |
| Zeng et al. | High-sensitive surface plasmon resonance imaging biosensor based on dual-wavelength differential method | |
| US5502560A (en) | Analytical sensor using grating light reflection spectroscopy | |
| RU2626066C1 (en) | Method of analysing analyte concentration and optical chemosensor | |
| Gupta et al. | A novel leaky waveguide grating (LWG) device for evanescent wave broadband absorption spectroscopy in microfluidic flow cells | |
| Lewis et al. | A novel multiplex absorption spectrometer for time-resolved studies | |
| Chen et al. | Photonic sensing of environmental gaseous nitrous acid (HONO): opportunities and challenges | |
| US11680908B2 (en) | Assembly having nanoporous surface layer with hydrophobic layer | |
| McFarlane et al. | Synthesis and operation of fluorescent-core microcavities for refractometric sensing | |
| CN106226268A (en) | A kind of porous silicon silicon porous silicon gas sensor based on evanescent wave resonance | |
| Saetchnikov et al. | Self-learning-based detection via multiple microresonator imaging | |
| Wang et al. | Compact surface plasmon resonance sensor using the digital versatile disc grating as a coupler and a disperser |