CC BY
14DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-355-356
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ КИСЛОТНОСТИ ПО СКОРОСТИ РАСТВОРЕНИЯ ХИТОЗАНОВОГО ПОКРЫТИЯ НА ВОЛОКОННОЙ ВСТАВКЕ С ТОНКОЙ СЕРДЦЕВИНОЙ
Гафурова Л.И.1'2, Иванов О.В.1, Бакуров Д.Д.1'2
'Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН,
г. Ульяновск
2Ульяновский государственный технический университет, г. Ульяновск E-mail: [email protected]
Контроль химического состава и, в частности, кислотности различных биологических сред представляет важную и сложную задачу. Современные оптоволоконные технологии позволяют решить эту задачу созданием компактных и надежных волоконно-оптических датчиков. Значительный интерес для применения в химических датчиках привлекают оптоволоконные структуры со вставками нестандартных волокон благодаря простоте их создания, хорошей чувствительности и возможности измерения химических параметров внешней среды. Чувствительность структур со вставками волокон может быть значительно увеличенным путем возбуждения оболочечных мод и наложением на оболочку волокна покрытия из материала с показателем преломления выше, чем показатель преломления оболочки [1].
В данной работе используется волоконно-оптическая структура на основе стандартного волокна SMF-28, к которому приварено волокно с двойной оболочкой SM600 длиной 8 см (рис. 1). Волокно SM600 фирмы Fibercore имеет следующие параметры: радиус сердцевины ~ 2.2 мкм, числовая апертура ~ 0.12, длина волны отсечки ~ 600 нм.
Рис. 1. Структура волоконно-оптического сенсора
Для увеличения чувствительности созданной структуры к параметрам внешней среды на оболочку волоконной структуры наносилось тонкопленочное покрытие из хитозана, которое создает дополнительный прозрачный надоболочечный слой толщиной от десятков до тысяч нанометров. Показатель преломления покрытия должен быть больше показателя преломления кварцевой оболочки, чтобы подтягивать поле оболочечных мод от сердцевины к внешнему радиусу [1] и увеличивать поверхностное поле моды, распространяющееся во внешней среде. Покрытие может быть использовано не только для смещения поля в область границы с внешней средой, но служить элементом, чувствительным к химическому составу среды (кислотности, солености и др.).
Закреплённую горизонтальным способом оптоволоконную структуру, покрытую хитозановой плёнкой окунали в буферные растворы с заданным значением рН. Каждую секунду в течение 20 секунд снимался спектр. Измеренные спектры пропускания представлены на рис. 2. Можно заметить, что при нанесении пленки на поверхность оболочки имеет место смещение всего спектра в область больших длин волн, при этом в целом его форма сохраняется. Причина сдвига спектра -изменение профиля показателя преломления волокна в результате нанесения пленки приводит к смещению профилей оболочечных мод и изменению их постоянных распространения. Для каждого значения кислотности был выбран один из пиков пропускания по которому измерялось смещение длинна волны. Так для рН = 3 был выбран пик на длине волны 1528 нм, для рН = 4.5 -1539°нм., рН = 5.5 - 1535 нм. На выбранных пиках были построены зависимости смещения длины волны от времени (рис. 3-5). Из рисунка 3 видно, что для кислого раствора с рН = 3 разбухание хитозана происходит в течение 11 с. В точке t =4 с показатель преломления хитозана сравнивается с
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» [email protected]
355
показателем преломления кварца и пропускание сильно падает. После прохождения точки равенства показателей преломления показатель преломления пленки становится меньше показателя преломления кварца и пропускание снова растет. В момент времени t = 11 с пропускание
стабилизируется. Это означает, что либо пленка окончательно растворилась, либо разбухла.
0J
Я
я
Я5
а о >, Я о
£
-2
■4
рН=3
1450
1500 1550
Длина волны(им)
Рис. 2. Спектры волоконной структуры в процессе растворения хитозана в среде с pH=3
1600
и -1
к
я
I -2
t
С
S -з
Он
С
-А
ph=3
5 10 15 20 2
1(С)
Рис. 3. Зависимость смещения длины волны от времени при pH=3
Я а х -2
о >.
В
с
ph=5.5 ■
'-■ ■ lall ■
■ ■ ■
5 10 15 20 25
т
Рис. 4. Зависимость уровня пропускания от временив при pH=4.5
и 1
к
S
i о
Й"1 С
рН-4.5
Г ■
/
0 5 10 15 20 25
t(c)
Рис. 5. Зависимость уровня пропускания от временив при pH=5.5
Сравнивая эксперименты с различными ph, можно сделать следующие выводы: чем кислее среда, тем быстрее разбухает (растворяется) хитозановая пленка.
Литература
1. Villar I.D., Opt. Lett. 30, 720-722 (2005)
2. Иванов О.В., Оболочечные моды волоконных световодов и длиннопериодные волоконные решетки, М.: Физмалит - 252 с. (2012)
3. X.Wen, T.Ning, C.Li et al., Appl. Opt. 53, 71-75 (2014)
4. Y.Zhao, F.Pang, Y.Dong et al., Opt. Express 21, 26136-26143 (2013)
356............№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpress.ru [email protected]
