Оптические сенсоры

Принцип работы оптических сенсоров

Оптические сенсоры основаны на регистрации изменений параметров светового излучения при взаимодействии с исследуемой средой или объектом. Эти изменения могут проявляться в виде изменения интенсивности, спектрального состава, поляризации или фазы света. Основой работы большинства оптических сенсоров является использование фотонных явлений, включая отражение, преломление, рассеяние, интерференцию и флуоресценцию.

Важной особенностью оптических сенсоров является их высокая чувствительность и способность работать в условиях, когда контактный метод измерения невозможен или нежелателен. Благодаря этому они широко применяются в химическом анализе, медицине, экологии, промышленном контроле и в исследованиях свойств поверхности.

Классификация оптических сенсоров по физическим принципам

  1. Абсорбционные сенсоры – регистрируют изменения интенсивности светового пучка, прошедшего через или отражённого от объекта, за счёт поглощения фотонов.
  2. Интерференционные сенсоры – фиксируют сдвиги фазы и изменения интерференционной картины, возникающие при изменении оптического пути.
  3. Флуоресцентные сенсоры – основаны на регистрации свечения вещества, возбужденного источником света определённой длины волны.
  4. Рамановские сенсоры – используют комбинационное рассеяние света для получения спектральной информации о молекулах.
  5. Плазмонно-резонансные сенсоры – работают на принципе поверхностного плазмонного резонанса (SPR), чувствительного к изменениям показателя преломления вблизи металлической поверхности.

Роль тонких плёнок в конструкции оптических сенсоров

Тонкие плёнки в оптических сенсорах выполняют сразу несколько функций:

  • Селективный слой – обеспечивает избирательное взаимодействие с анализируемым веществом (например, плёнка полимера, связывающего определённые молекулы).
  • Оптическая настройка – за счёт интерференционных эффектов плёнка может усиливать или подавлять определённые длины волн.
  • Поверхностная функционализация – позволяет модифицировать физико-химические свойства рабочей зоны сенсора.

Например, в SPR-сенсорах используется ультратонкий слой золота (обычно 40–50 нм) на стеклянной подложке, который обеспечивает возбуждение поверхностных плазмонов. Любое изменение показателя преломления среды над золотым слоем приводит к изменению угла резонанса, что регистрируется детектором.

Поверхностный плазмонный резонанс в сенсорике

Поверхностный плазмонный резонанс является одним из наиболее чувствительных оптических методов обнаружения веществ. При падении поляризованного света на металлическую плёнку под определённым углом возбуждаются поверхностные плазмонные волны.

Основные особенности SPR-сенсоров:

  • Высокая чувствительность – изменение показателя преломления на уровне 10⁻⁶ RIU (Refractive Index Unit) может быть зарегистрировано.
  • Бесконтактность измерения – анализируемая проба не разрушается.
  • Возможность реального времени – регистрация изменения сигнала в динамике.

Тонкие металлические плёнки в SPR-сенсорах должны обладать высокой оптической проводимостью и минимальной шероховатостью, чтобы обеспечить качественное возбуждение плазмонов.

Интерференционные и волноводные оптические сенсоры

В интерференционных сенсорах используется разность фаз между двумя световыми пучками, один из которых взаимодействует с анализируемой средой, а другой служит опорным. Наиболее известный вариант — сенсор на основе интерферометра Майкельсона или Маха–Цендера.

В волноводных сенсорах свет распространяется внутри тонкой плёнки с высоким показателем преломления, при этом часть волнового поля проникает в окружающую среду (затухающая волна). Если в этой зоне происходят изменения (адсорбция молекул, изменение состава), они влияют на условия распространения света и фиксируются детектором.

Флуоресцентные сенсоры и роль наноструктур

Флуоресцентные сенсоры работают на принципе регистрации свечения флуорофоров — веществ, способных испускать свет после поглощения фотонов. Чувствительность таких сенсоров может быть значительно повышена при использовании наноструктурированных поверхностей, например, металлических наночастиц, которые усиливают локальное электромагнитное поле (эффект плазмонного усиления флуоресценции).

Тонкие плёнки в таких сенсорах могут:

  • обеспечивать иммобилизацию флуорофоров;
  • усиливать сигнал за счёт резонансных эффектов;
  • фильтровать фоновое излучение.

Материалы для тонких плёнок в оптических сенсорах

В качестве материалов для рабочих слоёв применяются:

  • Металлы (Au, Ag, Al) – для плазмонных и отражательных сенсоров;
  • Диэлектрики (SiO₂, TiO₂, Al₂O₃) – для интерференционных структур и волноводов;
  • Полимеры – для селективных покрытий и биосенсоров;
  • Полупроводники (ZnO, GaN) – для сенсоров с фотолюминесцентными свойствами.

Ключевые требования к материалам: однородность, стабильность оптических характеристик, возможность нанометрового контроля толщины и химическая стойкость к анализируемой среде.

Современные направления развития

  • Интеграция с нанофотонными структурами (метаповерхности, фотонные кристаллы) для повышения чувствительности.
  • Использование гибридных органо-неорганических плёнок для селективного детектирования.
  • Миниатюризация с внедрением сенсоров в чиповые платформы (Lab-on-a-Chip).
  • Применение квантовых точек как элементов сверхчувствительных флуоресцентных сенсоров.
Оглавление