Оптоды: оптические сенсоры для измерения веществ. Принцип работы, компоненты (химический реагент, полимер, оптоволокно), методы измерения (люминесценция и др.).
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Оптический датчик для измерения определенного вещества, как правило, с использованием химического преобразователя.
Optical sensor device to measure a specific substance usually with the aid of a chemical transducer
Оптод или оптород – это оптический датчик, предназначенный для оптического измерения определенного вещества, обычно с помощью химического преобразователя.
An optode or optrode is an optical sensor device that optically measures a specific substance usually with the aid of a chemical transducer.
Строительство
Для функционирования оптода необходимы три компонента: химическое вещество, реагирующее на аналит, полимер для иммобилизации химического сенсора и измерительное оборудование (оптическое волокно, источник света, детектор и другая электроника). Обычно в оптодах полимерная матрица наносится на кончик оптического волокна, но в случае оптодов на основе эванесцентных волн полимер наносится на участок волокна, с которого удалена оболочка.
An optode requires three components to function: a chemical that responds to an analyte, a polymer to immobilise the chemical transducer and instrumentation (optical fibre, light source, detector and other electronics). Optodes usually have the polymer matrix coated onto the tip of an optical fibre, but in the case of evanescent wave optodes the polymer is coated on a section of fibre that has been unsheathed.
Операция
Оптоды могут использовать различные схемы оптических измерений, такие как отражение, поглощение, волноводная оптика (исчезающая волна), люминесценция (флуоресценция и фосфоресценция), хемолюминесценция, поверхностный плазмонный резонанс. Наиболее распространенным методом является люминесценция. Люминесценция в растворе подчиняется линейному уравнению Штерн-Вольмера. Флуоресценция молекулы гасится специфическими аналитами, например, комплексы рутения гасятся кислородом. При иммобилизации флуорофора в полимерной матрице создается множество микроокружений. Эти микроокружения отражают различные коэффициенты диффузии анализируемого вещества. Это приводит к нелинейной зависимости между флуоресценцией и гасителем (аналитом). Эта зависимость моделируется различными способами, наиболее популярной моделью является двухсайтовая модель, разработанная Джеймсом Демасом (Университет Вирджинии). Отношение сигнала (флуоресценции) к концентрации кислорода нелинейно, и оптод наиболее чувствителен при низких концентрациях кислорода, то есть чувствительность уменьшается с увеличением концентрации кислорода. Однако датчики оптодов могут работать во всем диапазоне от 0 до 100% насыщения кислородом в воде, а калибровка выполняется аналогично датчику типа Кларка. Кислород не потребляется, следовательно, датчик нечувствителен к перемешиванию, но сигнал стабилизируется быстрее, если датчик перемешивается после погружения в образец.
Optodes can apply various optical measurement schemes such as reflection, absorption, evanescent wave, luminescence (fluorescence and phosphorescences), chemiluminescence, surface plasmon resonance. By far the most popular methodology is luminescence. Luminescence in solution obeys the linear Stern–Volmer relationship. Fluorescence of a molecule is quenched by specific analytes, e. g., ruthenium complexes are quenched by oxygen. When a fluorophore is immobilised within a polymer matrix myriad micro environments are created. The micro environments reflect varying diffusion co efficients for the analyte. This leads to a non linear relationship between the fluorescence and the quencher (analyte). This relationship is modelled in various ways, the most popular model is the two site model created by James Demas (University of Virginia). The signal (fluorescence) to oxygen ratio is not linear, and an optode is most sensitive at low oxygen concentration, i. e., the sensitivity decreases as oxygen concentration increases. The optode sensors can however work in the whole region 0–100% oxygen saturation in water, and the calibration is done the same way as with the Clark type sensor. No oxygen is consumed and hence the sensor is stirring insensitive, but the signal will stabilize more quickly if the sensor is stirred after being put into the sample.
Популярность
Популярность оптических датчиков растет благодаря низкой стоимости, небольшому энергопотреблению и долгосрочной стабильности. Они предлагают жизнеспособную альтернативу электродным датчикам или более сложным аналитическим приборам, особенно в сфере мониторинга окружающей среды, хотя в случае кислородных оптродов их разрешение уступает самым современным катодным микросенсорам.
Optical sensors are growing in popularity due to the low cost, low power requirements and long term stability. They provide viable alternatives to electrode based sensors or more complicated analytical instrumentation, especially in the field of environmental monitoring although in the case of oxygen optrodes, they do not have the resolution as the most recent cathodic microsensors.