微型移動(dòng)式光譜技術(shù)

文/ Benedikt Schwarz

微型移動(dòng)式光譜技術(shù)

文/ Benedikt Schwarz

集中式流量傳感器光譜技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)分析中的應(yīng)用

把實(shí)驗(yàn)室所有檢測(cè)分析元器件都集成在一塊光纖芯片上？是的。本文方案有諸多優(yōu)勢(shì)，那么在實(shí)施IR光譜檢驗(yàn)最小化時(shí)，需要做些什么呢？

許多有機(jī)物質(zhì)都可以通過(guò)其吸收光譜的特性對(duì)中紅外范圍的紅外光進(jìn)行鑒別并量化。通過(guò)不同分子的不同旋轉(zhuǎn)振蕩和震動(dòng)振蕩，各種化學(xué)物質(zhì)都會(huì)展現(xiàn)其獨(dú)一無(wú)二的化學(xué)分子特性。由于大多數(shù)這樣的諧振振蕩都發(fā)生在中紅外范圍，因此這一段光譜范圍（3～20 μm）對(duì)化學(xué)傳感器來(lái)講是非常有意義的，也常常被稱(chēng)為“指紋區(qū)”。傳統(tǒng)的吸收光譜系統(tǒng)通常都由光源設(shè)備、波長(zhǎng)選擇裝置、感應(yīng)互動(dòng)區(qū)和一個(gè)光電探測(cè)器組成。其中的光電探測(cè)器是一個(gè)單獨(dú)的部件、用精密的校準(zhǔn)棱鏡和反射鏡連接成一體。

與可見(jiàn)光或者近紅外光不同，上述的光學(xué)元器件其價(jià)格都相當(dāng)高。在中紅外光譜檢測(cè)中，大多數(shù)情況下都要用到寬帶光源，波長(zhǎng)選擇用傅里葉紅外光譜變換儀（FTIR）以及氣體或者液體檢測(cè)皿，常常還要用到配有冷卻系統(tǒng)的光電探測(cè)器。這樣的檢測(cè)系統(tǒng)雖然在實(shí)驗(yàn)室中，可以當(dāng)作萬(wàn)能型的檢測(cè)設(shè)備用于不同化學(xué)成分的檢驗(yàn)、分析，但由于它們的大小、機(jī)械敏感性限制，所以只能在有限的移動(dòng)應(yīng)用中被使用。

而化工、生物、制藥和環(huán)保等領(lǐng)域中大量的應(yīng)用則更需要緊湊、經(jīng)濟(jì)的分析檢測(cè)儀。

市場(chǎng)上對(duì)便攜、經(jīng)濟(jì)型檢測(cè)儀的需求越來(lái)越來(lái)越強(qiáng)烈，一定程度上，也直接促進(jìn)了檢測(cè)儀的小型化發(fā)展，它所用零部件的集成，尤其是其電氣部分都集成在唯一一塊光纖芯片上。這不僅僅降低了它們的生產(chǎn)成本，還能夠?qū)⑵湓O(shè)計(jì)成更加緊湊、且能使用電池作為電源的光譜檢測(cè)儀，即使用于現(xiàn)場(chǎng)分析也完全可以。這樣一來(lái)，一些只需定性的樣本就大可不必被送到實(shí)驗(yàn)室去檢測(cè)了，大大節(jié)約了時(shí)間成本。另外，由于移動(dòng)式微型光譜儀操作較簡(jiǎn)捷，完全可以由門(mén)外漢在現(xiàn)場(chǎng)操作，或者集成到已有的自動(dòng)化系統(tǒng)之中，這樣就使得直接得到檢測(cè)報(bào)告成為可能。

圖1.光纖芯片傳感器：只需一滴液體就足以完成成分的測(cè)定。

微型光纖芯片的集成

微型移動(dòng)式光譜檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)的最大難度是把所有必須的光學(xué)儀器集成在一塊小小的光纖芯片上。這里有一個(gè)非常特殊的要求：光源和探測(cè)器必須極其相容。作為結(jié)構(gòu)最緊湊、性能最強(qiáng)大的光源就是所謂的QCLs量子級(jí)聯(lián)激光器；一種在許多檢測(cè)儀中都有其應(yīng)用的光源。

若要求再高一點(diǎn)：那就是特殊設(shè)計(jì)和制造的，并且可以當(dāng)作光探測(cè)器使用的量子級(jí)聯(lián)激光器了。這里的難點(diǎn)不僅僅是同時(shí)優(yōu)化激光發(fā)射和探測(cè)兩種工作模式，更多的是激光光譜與探測(cè)器接收的光譜敏感性之間的相互對(duì)應(yīng)一致。由于電壓誤差的關(guān)系，這種雙功能的量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元器件的功能會(huì)在激光發(fā)射器和探測(cè)器之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)小型化的另一個(gè)挑戰(zhàn)是光的功率大小。在集成的微型光纖芯片中，光是在芯片上激光發(fā)射器和激光探測(cè)器之間直接傳導(dǎo)的。同時(shí)，這種光波傳導(dǎo)光纖也可以當(dāng)作感應(yīng)互動(dòng)區(qū)來(lái)使用。此時(shí)最重要的是：光應(yīng)該是最大程度上未損失的被傳導(dǎo)，同時(shí)也應(yīng)與包圍光的周?chē)后w強(qiáng)烈的相互作用。等離子的波導(dǎo)體是最合適的光波傳導(dǎo)元件了。所謂的表面等離子體激元（SPPs）是一種電磁波，一種能夠在金屬和電介體（例如空氣）之間的邊界層傳播的波。這種表面波是在光與集體振蕩相互作用下從金屬中釋放出載流子而產(chǎn)生的。它與介電的波導(dǎo)體（例如玻璃纖維）完全不同，表面等離子波的絕大部分不在波導(dǎo)體的內(nèi)部傳播、相反是在金屬的外層表面?zhèn)鞑サ摹?/p>

我們所介紹的方案就是利用了這一效應(yīng)；不是利用了簡(jiǎn)單的“玻璃纖維光纖”，而是表面等離子波與化學(xué)物質(zhì)有著很高的感應(yīng)性能，且探測(cè)器也有著很低的耦合性能。為了提高它的耦合性能，在等離子波導(dǎo)體上涂敷了薄薄的一層電介體（參見(jiàn)圖3）。這種被稱(chēng)之為“介質(zhì)加載”等離子波導(dǎo)體把導(dǎo)光性能提高了更高的層次，也提高了在探測(cè)器中的耦合性能，同時(shí)也沒(méi)有明顯的影響與周?chē)h(huán)境的相互感應(yīng)（導(dǎo)光性能達(dá)96%以上）。作為一個(gè)不錯(cuò)的輔助效應(yīng)是：這樣的光纜有著很低的損耗，因此可以有最大的傳播距離。

液體傳感器的整體集成

在開(kāi)發(fā)激光器、探測(cè)器和波導(dǎo)體的同時(shí)也有了高集成度傳感器所需的所有部件。第一次的實(shí)驗(yàn)嘗試就已經(jīng)顯示出這種光纖芯片的巨大應(yīng)用潛力了。將這樣的傳感器浸入液體中，例如水和乙醇組成的液體中時(shí)，則可以在0%～60%很寬的含水量范圍、按照0.06%的精度準(zhǔn)確的測(cè)定出混合液含水量的多少（參見(jiàn)圖4）。必須強(qiáng)調(diào)的是：這一樣機(jī)性試驗(yàn)僅僅是為了測(cè)試傳感器的功能，傳感器的全部潛力還沒(méi)沒(méi)有被挖掘出來(lái)。通過(guò)進(jìn)一步的改進(jìn)措施和檢測(cè)電子元器件的優(yōu)化，檢測(cè)精度將會(huì)大幅度提高。例如，根據(jù)成本費(fèi)用的高低在較小的檢測(cè)范圍內(nèi)通過(guò)提高感應(yīng)互動(dòng)區(qū)的互動(dòng)長(zhǎng)度來(lái)提高檢測(cè)精度。這里所介紹的傳感器方案可以毫無(wú)壓力地?cái)U(kuò)展到多種波長(zhǎng)，并且可以在有著多個(gè)激光器－波導(dǎo)體－探測(cè)器單元與不同布拉格光柵并聯(lián)的光纖芯片中使用。

圖2.單片集成的傳感器：激光器發(fā)出的光沿著等離子波導(dǎo)體傳導(dǎo)到探測(cè)器。

圖3.表面等離子波感應(yīng)互動(dòng)區(qū)：在金的表面涂敷了一層介電層之后，其表面?zhèn)鲗?dǎo)等離子波的性能大大提高了，與周?chē)h(huán)境的相互作用也增強(qiáng)了。

圖4. 吸收性能檢測(cè)：當(dāng)傳感器浸入水和乙醇的混合液中時(shí)，可以檢測(cè)出混合液中的含水量，含水量濃度的檢測(cè)精度為0.06%。

適用于氣態(tài)分析

氣態(tài)分析時(shí)所覆蓋的光譜范圍寬度大約100 cm-1，適合于在各種分析應(yīng)用。能夠吸收多種波長(zhǎng)進(jìn)行分析的傳感器可以在特定材料的探測(cè)中使用。在中紅外光波范圍內(nèi)，光學(xué)傳感器的應(yīng)用范圍不限于液體介質(zhì)的檢測(cè)，以及氣態(tài)介質(zhì)的檢測(cè)。例如，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放出來(lái)的廢氣檢測(cè)也可以使用這種光學(xué)傳感器，另外，它還需要準(zhǔn)確的吸收性能曲線和準(zhǔn)確的QCL量子聯(lián)級(jí)激光器的發(fā)射波長(zhǎng)。氣體分析的難點(diǎn)是吸收強(qiáng)度太低，這使得單片集成難度加大。

基于QCL量子聯(lián)級(jí)激光器

基于QCL量子聯(lián)級(jí)激光器的化學(xué)傳感器，其具體應(yīng)用領(lǐng)域包括了血糖水平的光學(xué)測(cè)定，又或是工業(yè)廢水的檢測(cè)、廢氣中有害物質(zhì)的排放等。而最令人感興趣的則是其在線監(jiān)測(cè)性能，也就是說(shuō)，在需要連續(xù)性的極限值監(jiān)控過(guò)程中使用。

如今，利用現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)這樣的在線監(jiān)控，而微型傳感器則可以方便地安裝固定到生產(chǎn)系統(tǒng)中，這也幫助省略了很多費(fèi)時(shí)費(fèi)力的取樣、檢測(cè)步驟。此外，其他的領(lǐng)域也多有應(yīng)用，比如像稀釋劑（例如制藥工業(yè)）或者宇宙飛船推進(jìn)燃料生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量監(jiān)控。在制藥領(lǐng)域中，移動(dòng)式的檢測(cè)儀器不僅僅能夠快速的完成分析診斷，而且還能夠適用于更多條件不足的場(chǎng)合及領(lǐng)域，比如成本不足時(shí)、基礎(chǔ)設(shè)施或衛(wèi)生條件不足時(shí)。

本文作者來(lái)自維也納技術(shù)大學(xué)微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)研究所。