Оптический анализатор и способ изготовления его датчика

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s 6 01 N 21/75, 21/61

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) оВФИ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О

Ч

Ь:

С (У

С (21) 4828410/25 (22) 28.05.90 (46) 23,06.93. Бюл. М 23 (71) Институт энергетических проблем химической физики АН СССР (72) Е.Н.Николаев и О.В.Чечель (56) Burak Darlusz, Nasalskl vlojclech

Optyczny czujnik odbicIcowy — zasady

dzlalanla 1 wlasnoscl // — /Pr,/ IPPT PAN, 1989, N. 19, с. 1 — 25.

R.Â.Beswik, С.W.Pltt "Optical Detection

of Toxic Gases Using Fluorescent Porphyrln

Langmuir — Blodgen Films" // J, Colloid and

Interface Science, 1988, ч. 124, р. 146-155. (54) ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕГО ДАТЧИКА (57) Изобретение относится к технике детектирования микроскопических количеств веИзобретение 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 чувствительнсти 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 иэ катушки 1(фиг, 1), на. которую намотан волновод 2, так что обмотка имеет сетчатую ячеистую структуру, HCточника света 3, дифракционного

„„ „„1822950 А1 ществ в газовой и жидкой фазах, в частности позволяет фиксировать особо малые примеси вредных газов в атмосфере производственных помещений. Сущность изобретения; представляет собой оптический волновод а нанесенными на его поверхность металлической пленкой и мультислоями ЛэнгмюраБлоджетт. 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 Л Б-пленке, 2 с. и., 2 з. п. ф-лы. 2 ил.

l 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, устрбйства обратной связи 14, привода барьера 15 и источника ультрафиолетового или электронного облучения 16.

Сенсор изготавливают следующим образом.

На поверхность волновода любым иэ вакуумных методов, например плаэмохимическим, наносят тонкую металлическую пленку толщиной 50 — 200 нм. Затем поверх1822950

1 ность волновода с металлическим покрытием обрабатывают с гидрофобиэирующим раствором (например, раствором триметилхлорсиланэ 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

8 наносят амфифильного вещества, содержащего химические группы, чувствительные к исследуемому газу, например, парфирин, фталоцианин, P -êàðîòèí и др., в инертном растворителе, хлороформе, бензоле, толуоле, тетрагидрофуране, ацетоне.

Концентрация растворенного вещества составляет 0,1 — 0.3 о(,. Для некоторых веществ с целью облегчения переноса на твердую подложку применяют добавки сокомпонентов, 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

Вильгельми 13. Измеритель поверхностного натяжения 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 полимеризовать ультрафиолетовым или электронным облучением при помощи источника 12. Волновод с нанесенной таким образом ЛБ-пленкой наматывают на катушку1 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 ре5

55 эультате 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 б, 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 плаэмонных волнах. Уравнение дисперсии поверхностного плазмона имеет вид: где QJ — частота плаэмона. равная рабочей частоте источника света; к — диэлектрическая проницаемость металлической пленки.

Вследствие возбуждения поверхностных плаэмонов происходит возрастание локального поля световой волны, а также комбинационное рассеяние молекул в ЛБпленке, Упомянутое возрастание комбинационного рассеяния адсорбированных молекул, сопровождаемое эффектом нарушенного полного внутреннего отражения, приводит к появлению характерных пиков в оптическом спектре, детектируемым монохроматором и детектором интенсивности.

По величине и положению данных пиков и определяют концентрацию исследуемой примеси.

Используя порфирины с разными заместителями в качестве сокомпонент Л Б-пленки, получают сенсоры таких веществ, как

НС1, HBr. NH3, NOg, а применяя ЛБ-пленки из фталоцианинов, детектируют NO, 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 монн: роматора.

40

45 летовым излучением, 50

Пример 1 На кварцевый оптический волновод диаметром 0,5 мм методом вакуумного магнетронного напыления наносят золотую пленку толщиной 50 нм, гидрофобизируют ее 2 (,-ным раствором, дихлордиметилсилана 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 нанесения на последнюю АК/ТФП в хлороформе при концентрации 1 мг/см, 3 после испарения хлороформа. Образовавшуюся пленку подвергают воздействию растворов ацетатов Сп. Nl или Со с тем, чтобы образовался соответствующий металлопорфирин, 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 имею гся отверстия для свободного прохождения исследуемого вещества.

Кассету с сенсором помещают в атмосферу, содержащую примесь HCI в концентрации 5

ppm. Изменение характеристической для

HCi полосы в спектре излучения составляет 67 %. С помощью этого же сенсора определяют концентрацию HCI в воде, равную 10 ppm.

Пример 2. На кварцевый оптический волноеод диаметром 0,4 мм методом вакуумного магнетронного напыления наносят золотую пленку толщиной 50 нм, гидрофобизируют ее 1,5 $-нм раствором дихлорметилсилана в трихлорэтане и наносят на

- волновод 30 монослоев фталоцианина в присутствии ионов Ge по методу ЛэнгмюраБлоджетт, При нанесении ЛБ-пленки ее полимериэуют ультрафиолетовым светом.

При нанесении ЛБ-пленки ее полимеризуют ультрафиолетовым светом. Длина волновода составляет 0.80 м. Волновод наматывают

30 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 NO2 в концентрации 10 ppm. Изменение интенсивности на характеристической для NCb полосе поглощения в спектре излучения на выходе волновода составляет 55 ф.

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 иэ органического вещества, и детектор оптического излучения, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения чувствительности. он дополнительно содержит дифракционный монохроматор и два оптических согласователя, подложка да чика выполнена в виде оптического волновода, в качестве чувствительного слоя выбрана пленка Лэнгмюра-блоджетт, а оптический волновод через оптические согласователи связан с источником излучения и дифракционным монохромато ром.

2.Анализатор поп. 1, отличаю щийс я тем, что, с целью повышения удобства в использовании, датчик выполнен в виде катушки с намотанным на нее волноводом.

3. Анализатор по и. 2, о т л и ч а ю щ и йс 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 нв прозрачную подложку путем пропускания последней сквозь поверхность раздела жидкость — газ, отл ича ю щи йся 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 ультрафио1822950

Составитель О. Чечель

Редактор Т. Шагова Техред М.Моргентал Корректор С. Пекарь

Заказ 2177 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101