سنسور آمونیاک فیبر نوری با استفاده از نشانگر جهانی pH

1 آزمایشگاه فیبر و یکپارچه اپتیک، گروه مهندسی الکترونیک، UAM Reynosa Rodhe، دانشگاه خودمختار Tamaulipas، Carr. Reynosa-San Fernando S/N، Reynosa، Tamaulipas 88779، مکزیک. ایمیل: xm. ude. [email protected] (R. F. D. C.); xm. ude. [email protected] (D. A. M.-A.)

کارلوس آر زامارنو

2 گروه مهندسی برق و الکترونیک، دانشگاه دولتی ناوارا، ادیف. لوس تجوس، پردیس آروسادیا، پامپلونا اسپانیا 31006، اسپانیا; ایمیل: se. [email protected] solrac (C. R. Z.); se. [email protected] (I. R. M.); se. [email protected] (F. J. A.)

ایگناسیو آر ماتیاس

2 گروه مهندسی برق و الکترونیک، دانشگاه دولتی ناوارا، ادیف. لوس تجوس، پردیس آروسادیا، پامپلونا اسپانیا 31006، اسپانیا; ایمیل: se. [email protected] solrac (C. R. Z.); se. [email protected] (I. R. M.); se. [email protected] (F. J. A.)

فرانسیسکوJ. Arregui

2 گروه مهندسی برق و الکترونیک، دانشگاه دولتی ناوارا، ادیف. لوس تجوس، پردیس آروسادیا، پامپلونا اسپانیا 31006، اسپانیا; ایمیل: se. [email protected] solrac (C. R. Z.); se. [email protected] (I. R. M.); se. [email protected] (F. J. A.)

رنه اف دومینگوئز کروز

1 آزمایشگاه فیبر و یکپارچه اپتیک، گروه مهندسی الکترونیک، UAM Reynosa Rodhe، دانشگاه خودمختار Tamaulipas، Carr. Reynosa-San Fernando S/N، Reynosa، Tamaulipas 88779، مکزیک. ایمیل: xm. ude. [email protected] (R. F. D. C.); xm. ude. [email protected] (D. A. M.-A.)

دانیالالف. می-آریوجا

1 آزمایشگاه فیبر و یکپارچه اپتیک، گروه مهندسی الکترونیک، UAM Reynosa Rodhe، دانشگاه خودمختار Tamaulipas، Carr. Reynosa-San Fernando S/N، Reynosa، Tamaulipas 88779، مکزیک. ایمیل: xm. ude. [email protected] (R. F. D. C.); xm. ude. [email protected] (D. A. M.-A.)

1 آزمایشگاه فیبر و یکپارچه اپتیک، گروه مهندسی الکترونیک، UAM Reynosa Rodhe، دانشگاه خودمختار Tamaulipas، Carr. Reynosa-San Fernando S/N، Reynosa، Tamaulipas 88779، مکزیک. ایمیل: xm. ude. [email protected] (R. F. D. C.); xm. ude. [email protected] (D. A. M.-A.)

2 گروه مهندسی برق و الکترونیک، دانشگاه دولتی ناوارا، ادیف. لوس تجوس، پردیس آروسادیا، پامپلونا اسپانیا 31006، اسپانیا; ایمیل: se. [email protected] solrac (C. R. Z.); se. [email protected] (I. R. M.); se. [email protected] (F. J. A.)

* نویسنده ای که مسئول است باید ذکر شود؛ایمیل: xm. ude. [email protected]; تلفن: +52-899-9213300 (داخلی 8315); فکس: +52-899-921-3300 (داخلی 8050).

این مقاله یک مقاله دسترسی آزاد است که تحت شرایط و ضوابط مجوز انتساب Creative Commons توزیع شده است (http://creativeecommons. org/licenses/by/3. 0/).

چکیده

از یک نشانگر pH جهانی برای ساخت سنسور آمونیاک فیبر نوری استفاده می شود. مزیت این نشانگر pH این است که نسبت به آمونیاک در محدوده طول موج وسیع حساسیت به آمونیاک نشان می دهد. این یک پاسخ دیفرانسیل ، با دره ای در حدود 500 نانومتر و اوج در حدود 650 نانومتر فراهم می کند که به ما امکان می دهد اندازه گیری های نسبت سنجی را انجام دهیم. اندازه گیری های نسبت نه تنها یک سیگنال پیشرفته را فراهم می کند ، بلکه می تواند هرگونه اختلال خارجی را به دلیل رطوبت یا نوسانات دما از بین ببرد. علاوه بر این ، این نشانگر در یک فیلم پلی اورتان نفوذ پذیر و گاز به نام Tecoflex in تعبیه شده است. این فیلم مزایای دیگری را برای سنسور ، از جمله عملکرد در محیط های خشک ، حمل و نقل کارآمد عنصر برای اندازه گیری در ناحیه حساس سنسور فراهم می کند و از نشت یا جدا شدن شاخص جلوگیری می کند. ترکیبی از نشانگر pH جهانی و فیلم Tecoflex ® یک سنسور آمونیاک فیبر نوری قابل اعتماد و قوی را فراهم می کند.

1. مقدمه

آمونیاک یک گاز طبیعی است که در صنایع خودروسازی و شیمیایی و تجزیه و تحلیل پزشکی استفاده می شود [1]. با توجه به خطرات بالقوه آن برای انسان، حتی در غلظت های کم، نظارت بر محیط زیست در زمان واقعی آمونیاک یک مسئله حیاتی در محیط های بسته است. آمونیاک بوی قوی دارد که در غلظت های نزدیک به ppm 50 قابل درک است و باعث تحریک در دستگاه تنفسی فوقانی و سرفه مزمن می شود [2]. از سوی دیگر، قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض غلظت‌های آمونیاک زیر 25 پی‌پی‌ام، تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد ریوی ندارد [3]. در واقع، کنفرانس بهداشتکاران صنعتی آمریکا (ACGIH) در یک دوره کاری روزانه 8 ساعته، غلظت آمونیاک در هوا را 25 پی پی ام در محل کار و برای قرار گرفتن در معرض کوتاه مدت تنها 35 پی پی ام را تعیین کرده است. زمان 15 دقیقه [2،3]. قرار گرفتن در معرض طولانی مدت بین 25 ppm تا 100 ppm بر ایجاد آسم و برونشیت، تحریک مزمن چشم تأثیر می گذارد و ممکن است باعث درماتیت شود [2]. غلظت بالای 100 ppm می تواند باعث سوزش چشم، اشک ریزش، تورم پلک ها، ساییدگی قرنیه، تاری دید و حتی کوری دائمی شود [2-5]. بنابراین، طراحی تکنیک‌ها و حسگرهای جدید که امکان تشخیص دقیق غلظت‌های کم آمونیاک را با نظارت زمان واقعی فراهم می‌کند بسیار مهم است [1]. در میان روش‌های مختلف برای تشخیص آمونیاک، می‌توان آن‌هایی را یافت که مبتنی بر استفاده از معرف نسلر [6]، آشکارسازهای فوتیونیزاسیون [7]، لایه‌های نازک نیمه هادی [8]، الکترودهای پتانسیومتری [9]، آنالایزرهای گاز مادون قرمز تجاری [10] است. و حسگرهای مبتنی بر FET جذبی (APSFET) [11]. اگرچه این حسگرها می توانند آمونیاک گازی را تشخیص دهند، اما برخی از معایب را نشان می دهند. به عنوان مثال، معرف Nessler یک معرف شیمیایی است که برای تشخیص مقادیر کمی آمونیاک استفاده می شود. با این حال، این معرف هنگام استنشاق، بلع یا جذب از طریق پوست سمی است و همچنین یک ماده سرطان زا است. حسگرهای مبتنی بر لایه‌های نازک نیمه‌رسانا، رانش انتخابی کم برای یک گاز خاص، تکرارپذیری کم، پایداری ضعیف، حساسیت ضعیف و عمر فعال سنسور کوتاه را نشان می‌دهند. آشکارسازهای فوتیونیزاسیون حساسیت بالا و زمان پاسخ سریع را از خود نشان می دهند، اما برای ارائه اندازه گیری های دقیق باید اغلب کالیبره شوند. حسگرهای مبتنی بر الکترودهای پتانسیومتری دارای مزیت حساس و انتخابی بودن هستند، اما محدودیت‌های قابل توجهی مانند مصرف برق نسبی بالا، گران بودن و نیاز به حضور یک اپراتور مجرب دارند.

با توجه به سنسورهای کار شده بر روی APSFET مستعد ابتلا به الکترومغناطیسی است. در مورد آنالایزر گاز مادون قرمز تجاری آنها معمولاً گران و حجیم هستند.

سنسورهای الیاف نوری (OFS) به دلیل ویژگی های ذاتی آنها مانند حساسیت خوب ، ایمنی در برابر تداخل الکترومغناطیسی ، اندازه کوچک ، قابلیت حمل ، کم هزینه و اتصال ساده نور ، گزینه ای جذاب هستند. مفهوم اصلی برای استفاده از OFS برای تشخیص آمونیاک استفاده از پایه آمونیاک است. بنابراین ، با استفاده از یک فیلم رنگی وابسته به pH یا حساس که تحت یک فلورسانس مناسب یا تغییر رنگ در هنگام قرار گرفتن در معرض یون های آمونیوم قرار می گیرد [14-30] ، آمونیاک را می توان با ردیابی تغییرات جذب اندازه گیری کرد. ماده وابسته به pH باید به فیبر نوری وصل شود و مواد مختلف ، از لیوان های ژل ژل گرفته تا پلیمرها ، به عنوان ماتریس به دام افتاده استفاده شده است. اکثر فیلم ها و رنگهای حساس مستعد تغییر دما و رطوبت هستند که می تواند در سیگنال شناسایی شده تداخل داشته باشد. بنابراین ، اندازه گیری ها به طور معمول در یک محفظه با شرایط محیط کنترل شده انجام می شود.

در این کار ما یک سنسور آمونیاک فیبر نوری را بر اساس یک نشانگر pH جهانی نشان می دهیم [31]. نشانگر pH جهانی از ترکیبی از شاخص های مختلف ساخته شده است که به شاخص اجازه می دهد تا محدوده عملیاتی طول موج گسترده را نشان دهد. بنابراین ، هنگامی که سنسور در معرض آمونیاک قرار می گیرد ، ما با پاسخ های متضاد در طول موج های مختلف ، تغییرات جذب را به دست می آوریم. این بدان معنی است که طیف جذب اوج را نشان می دهد که مقدار آن افزایش یافته است ، و دره ای که مقدار آن کاهش می یابد ، با افزایش غلظت آمونیاک. چنین رفتاری برای استفاده از اندازه گیری های نسبت سنجی که نه تنها پاسخ سنسور را تقویت می کند ، ایده آل است بلکه به ما امکان می دهد تا سنسور را در برابر اختلالات خارجی مانند رطوبت و دما مصون کنیم. علاوه بر این ، این شاخص در یک فیلم پلی اورتان ترموپلاستیک آلیفاتیک تجاری به نام Tecoflex ® به دام می افتد [32]. این فیلم ها قابل نفوذ گاز و آبگریز هستند به این معنی که لازم نیست سنسورها را در آب خیس کنید که امکان عملکرد در محیط های خشک تر و همچنین افزایش طول عمر سنسور را با جلوگیری از نشت این نشانگر فراهم می کند. این ترکیبی از نشانگر و فیلم یک سنسور آمونیاک فیبر نوری قوی و قابل اعتماد را فراهم می کند.

2. اصل بهره برداری