Chế tạo cảm biến pha lỏng, pha hơi dựa trên cấu trúc quang tử dùng để phát hiện dung môi ở nồng độ thấp

Bài viết trình bày về thực nghiệm xây dựng hệ đo cảm biến pha lỏng và pha hơi dựa trên buồng vi cộng hưởng 1D làm bằng silic xốp, so sánh các kết quả thu được thông qua phép đo một số dung môi thông dụng như ethanol, methanol. Nếu định nghĩa giới hạn phát hiện (LOD- Limit of Detection) là nồng độ nhỏ nhất của chất cần phân tích mà phương pháp phân tích có thể phát hiện được.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo cảm biến pha lỏng, pha hơi dựa trên cấu trúc quang tử dùng để phát hiện dung môi ở nồng độ thấpĐỗ Thùy Chi và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ188(12/2): 3 - 8CHẾ TẠO CẢM BIẾN PHA LỎNG, PHA HƠI DỰA TRÊN CẤU TRÚC QUANGTỬ DÙNG ĐỂ PHÁT HIỆN DUNG MÔI Ở NỒNG ĐỘ THẤPĐỗ Thùy Chi1*, Nguyễn Thúy Vân21Trường Đại học Sư phạm – ĐH Thái Nguyên,Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam2TÓM TẮTTrong bài báo này chúng tôi trình bày về thực nghiệm xây dựng hệ đo cảm biến pha lỏng và phahơi dựa trên buồng vi cộng hưởng 1D làm bằng silic xốp, so sánh các kết quả thu được thông quaphép đo một số dung môi thông dụng như ethanol, methanol. Nếu định nghĩa giới hạn phát hiện(LOD- Limit of Detection) là nồng độ nhỏ nhất của chất cần phân tích mà phương pháp phân tíchcó thể phát hiện được. Giá trị giới hạn phát hiện (LOD) được tính bằng tỷ số giữa độ phân giải củahệ đo và độ nhạy của cảm biến. Các giá trị LOD đối với cảm biến pha lỏng và pha hơi do chúngtôi chế tạo trong phép đo xác định nồng độ ethanol trong nước lần lượt tương ứng là 0,3% và0,04%. Giá trị LOD đối với cảm biến pha hơi đối với mẫu cảm biến chúng tôi chế tạo dùng để đonồng độ methanol trong rượu thương mại là 0,06% và 0,04% tương ứng với hai nhiệt độ 55oC ,60oC và vận tốc dòng khí được giữ không đổi là V = 6 l/h. Như vậy, mẫu cảm biến mà chúng tôichế tạo được thỏa mãn điều kiện có thể xác định nồng độ rất thấp của ethanol trong nước, xác địnhnồng độ methanol có trong rượu thương mại với LOD đạt ngưỡng an toàn thực phẩm là 0.1%.Từ khóa: Silic xốp, buồng vi cộng hưởng, cảm biến quang, dung môiMỞ ĐẦU*Dung môi hữu cơ hiện nay đang được sửdụng rất rộng rãi cả trong công nghiệp vàtrong các lĩnh vực của đời sống. Rất nhiều cácdung môi hữu cơ là các chất hóa học nguyhiểm và độc hại có thể gây ô nhiễm môitrường và gây hại đến sức khỏe của con ngườidù ở nồng độ rất thấp [1]. Ví dụ như methanolcó thể gây tổn thương võng mạc, tổn thươngthần kinh thị giác dẫn đến mù lòa chỉ vớinồng độ vài phần trăm trong rượu [2]. Do đó,việc tìm ra các phương pháp có độ chính xáccao và giá thành thấp để xác định nồng độ củacác dung môi hữu cơ trong công nghiệp, y tế,thực phẩm, môi trường được các nhà khoahọc quan tâm. Hiện nay, trên thế giới, cácphương pháp phân tích sắc ký khí hoặc sắc kýlỏng, sắc ký lỏng hiệu năng cao [3-4] là cácphương pháp hữu hiệu để phân tích địnhlượng các thành phần với nồng độ cực nhỏ.Các phương pháp này đã đóng vai trò chủ đạotrong phân tích dư lượng các chất hữu cơ hòatan với nồng độ thấp. Tuy nhiên, các phươngpháp này có một số nhược điểm là thời gian*phân tích khá lâu, quy trình phân tích phứctạp, đòi hỏi nhiều kỹ năng khi phân tích. Cáccảm biến quang dựa trên vật liệu Silic xốp cókích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao, giá thành rẻvà không sử dụng nguồn điện trong cảm biến,vì vậy độ an toàn trong sử dụng rất cao. Córất nhiều các nghiên cứu về các cảm biếnSilic xốp dựa trên cấu trúc quang tử 1D đểnhận biết các dung môi hữu cơ pha lỏng [5-6]và pha hơi [7] đã được công bố. Tuy nhiên sốlượng các công bố về phát hiện dung môi hữucơ ở nồng độ thấp vẫn còn hạn chế. Trong bàibáo này chúng tôi trình bày về các kết quảthực nghiệm sử dụng buồng vi cộng hưởng1D trên nền silic xốp làm cảm biến pha lỏngvà pha hơi để đo nồng độ một số dung môithông dụng như ethanol, methanol.CƠ SỞ CỦA HỆ THỐNG CẢM BIẾN DỰATRÊN CẤU TRÚC QUANG TỬTinh thể quang tử (PC) là một cấu trúc tuầnhoàn trong không gian của vật liệu, với cáchằng số điện môi khác nhau sắp xếp tuầnhoàn xen kẽ nhau, có chiết suất thay đổi theochu kỳ trên một thang chiều dài, có thể sosánh được với bước sóng ánh sáng.Tel: 0989 200314, Email: dothuychi@dhsptn.edu.vn3Đỗ Thùy Chi và ĐtgTạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ188(12/2): 3 - 8rộng từ nhìn thấy đến vùng hồng ngoại gần vàcả hồng ngoại xa. Ngoài ra, sử dụng phươngpháp này chúng ta có thể chủ động tạo ra cáckhuyết tật về cấu trúc để tạo thành các buồngvi cộng hưởng làm cơ sở cho việc chế tạo cáccảm biến quang tử.Hình 1. Cấu trúc PC 1D, 2D, 3DBuồng vi cộng hưởng một chiều (bộ lọc Fabi– Perot) có cấu trúc của PC 1D trong đó tồntại một khuyết tật nên làm mất tính chất tuầnhoàn của PC.Cấu trúc của buồng vi cộng hưởng bao gồmhai tấm gương phản xạ Bragg (DBR) nằm đốixứng nhau qua lớp đệm không gian.Khi tiếp xúc với dung môi chất phân tích,bước sóng cộng hưởng của buồng vi cộnghưởng 1D bị dịch chuyển về phía bước sóngdài do phân tử dung môi lấp đầy các lỗ xốplàm chiết suất hiệu dụng trung bình của buồngvi cộng hưởng tăng. Tùy thuộc vào mức độdịch của bước sóng cộng hưởng, đối chiếu vớiđường phụ thuộc của độ dịch bước sóng vàonồng độ chất phân tích rút ra từ thực nghiệm,chúng ta có thể xác định được nồng độ củachất cần phân tích với độ chính xác cao.THỰC NGHIỆMHình 2. Buồng vi cộng hưởng một chiều và phổphản xạ tương ứngNguyên nhân hình thành buồng vi cộnghưởng 1D: Trong các tinh thể photonic, sựtạo ra c ...