¿Puede la fibra óptica sumergida en una solución química analizar la concentración?
Sumergir directamente la cabeza de una fibra óptica convencional en una solución medicinal (solución química) no permite analizar directamente los componentes químicos ni su concentración.
En ingeniería óptica y física de sensores, la viabilidad y los límites físicos de la detección de concentración de líquidos mediante fibra óptica son los siguientes:
I. ¿Por qué la cabeza de una fibra óptica común “sumergida” no puede medir la concentración?
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Restricción del campo de luz y aislamiento del revestimiento (Principio de reflexión total)
Las fibras ópticas convencionales de comunicación o sensado (como la fibra monomodo) constan de un núcleo y un revestimiento periférico (con un diámetro exterior común de 125\ \mu\text{m}). Las ondas de luz experimentan reflexión interna total (TIR) en la interfaz entre el núcleo y el revestimiento. La mayor parte de la energía del campo de luz queda confinada dentro del núcleo (con un diámetro de solo unos 9\ \mu\text{m}). El campo evanescente que se atenúa hacia el exterior penetra solo unos pocos micrómetros en el revestimiento, y es incapaz de atravesar el revestimiento de sílice de decenas de micrómetros de espesor para alcanzar el exterior de la fibra. Por lo tanto, la composición química y los cambios de concentración de la solución externa no modulan la señal óptica transmitida dentro del núcleo. -
Falta de especificidad en el reflejo de Fresnel en el extremo
Si la fibra se corta perpendicularmente, permitiendo que el extremo del núcleo entre en contacto directo con la solución, se producirá un reflejo de Fresnel debido a la diferencia de índice de refracción entre la fibra y el líquido:R = \left( \frac{n_{\text{core}} - n_{\text{liquid}}}{n_{\text{core}} + n_{\text{liquid}}} \right)^2- Sin capacidad de cualificación química: Este método solo puede reflejar aproximadamente el índice de refracción equivalente general de la solución (n_{\text{liquid}}) y no puede distinguir qué molécula de soluto específica es responsable del cambio en el índice de refracción.
- Alta sensibilidad cruzada a la temperatura: El coeficiente termoóptico del líquido es grande (generalmente \frac{dn}{dT} \approx -10^{-4}\ \text{RIU/}^{\circ}\text{C}), y fluctuaciones mínimas de temperatura pueden enmascarar los cambios en la concentración del soluto.
- Extremadamente baja relación señal-ruido en ingeniería: Microburbujas en el extremo, contaminación leve o desviaciones en el ángulo de corte de la fibra pueden causar deriva severa en la reflectividad, lo que hace imposible su uso para análisis cuantitativo.
II. Vías de implementación física para la medición de concentración química mediante fibra óptica
En investigación de laboratorio o en campos especializados de análisis bioquímico con fibra óptica, para medir la composición y concentración de líquidos mediante fibra óptica, se deben emplear una de las siguientes dos soluciones especiales:
1. Microfabricación y resonancia de plasmones superficiales/campo evanescente (Sensores RI / SPR)
- Modificación estructural: Corrosión química del revestimiento de la fibra, pulido lateral (fibra tipo D), estiramiento cónico (micro/nano-fibra) o inscripción de rejillas especiales (como rejillas de haz inclinado TFBG, rejillas de período largo LPG) para romper la restricción simétrica del revestimiento y forzar al campo evanescente a filtrarse hacia el líquido a ser medido.
- Película funcional específica: Recubrimiento de la zona expuesta de la fibra con una capa sensible de reconocimiento específica (como aptámeros, anticuerpos-antígenos, películas poliméricas funcionales). La unión de moléculas específicas cambia la permitividad local, o se utiliza la resonancia de plasmones superficiales (SPR) para detectar el desplazamiento de la longitud de onda de resonancia.
2. Espectroscopia de fibra óptica (Uso como tubo de guía de luz)
- La fibra óptica en sí no actúa como sensor, sino solo como medio de transmisión de la ruta óptica.
- Se utiliza una fuente de luz de amplio espectro, guiada por fibra, hacia una cubeta/celda de flujo sumergida en la solución. Utilizando la luz transmitida o dispersada, junto con un espectrómetro de alta precisión posterior:
- Método de espectroscopia de absorción: Basado en la ley de Lambert-Beer (A = \varepsilon b c), se mide la absorbancia del soluto objetivo en longitudes de onda características específicas para calcular la concentración.
- Método de espectroscopia Raman / fluorescencia: Se mide la intensidad de la dispersión característica o la fluorescencia excitada para análisis cualitativo por huella molecular y análisis cuantitativo de concentración.
III. Descripción de la línea de productos de OFSCN® (大成永盛)
Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) se especializa en tecnología de sensores de fibra óptica gratada (FBG) (como monitoreo de estado físico de temperatura, deformación, tensión, desplazamiento, nivel de líquido, fuerza tridimensional, etc.) y en la I+D y fabricación de fibras especiales para entornos extremos.
Las sondas sensoras de fibra óptica especializadas para el análisis de componentes químicos de soluciones, concentración de biomoléculas o cuantificación de índice de refracción no forman parte de la línea de productos principal de OFSCN® (大成永盛).