Phát Hiện Oxy Và pH Bằng Phương Pháp Phát Quang

Nguyên lý quang học về cảm biến oxy và pH

Hình 1: Biểu đồ Jablonski minh họa sự chuyển đổi điện tử và thư giãn mức năng lượng của một phân tử sau khi hấp thụ ánh sáng..

Cảm biến quang học, đặc biệt là sử dụng các kỹ thuật sợi quang, đã nổi lên như một công cụ mạnh mẽ để đo các thông số hóa học quan trọng như nồng độ oxy (O_2) và độ pH. Cách tiếp cận này cung cấp một số lợi thế so với các phương pháp truyền thống, làm cho nó ngày càng hấp dẫn cho các ứng dụng đa dạng trong công nghiệp, y sinh và giám sát môi trường. Ở đây, chúng tôi đi sâu vào các nguyên tắc lý thuyết và nền tảng đằng sau quang học, O_2 và cảm biến pH.

1.    Nguyên lý quang học của cảm biến oxy.

Sự kích thích: Ánh sáng từ một nguồn bên ngoài kích thích phân tử phát quang (fluorophore hoặc phân tử lân quang) đến trạng thái singlet kích thích của nó (S₁) (Hình 1). This is depicted by an upward arrow in the Jablonski diagram.

Quá trình giảm mức năng lượng: Từ mức S₁, phân tử bị kích thích có thể thư giãn trở lại trạng thái cơ bản (mức S₀) theo nhiều cách: 

• Huỳnh quang: Trong trường hợp không có oxy, phân tử có thể trở lại mức S_0  bằng cách phát ra một photon (ánh sáng) có bước sóng dài hơn (năng lượng thấp hơn) so với ánh sáng hấp thụ. Quá trình phát xạ này được hiển thị dưới dạng mũi tên lượn sóng hướng xuống trên sơ đồ. 
• Lân quang (O₂-độc lập): : Trong một số phân tử, sự chuyển đổi sang trạng thái bộ ba thấp hơn (mức T₁) có thể xảy ra thông qua một quá trình gọi là giao thoa giữa các hệ thống. Thư giãn từ mức T₁ đến mức S₀  Cũng có thể liên quan đến phát xạ ánh sáng (lân quang), nhưng với độ trễ lâu hơn và cường độ thấp hơn so với huỳnh quang. Quá trình này độc lập với nồng độ oxy.
• Giảm mức năng lượng không bức xạ: Phân tử có thể mất năng lượng dư thừa thông qua va chạm với các phân tử xung quanh hoặc các con đường không bức xạ khác, trở lại mức S₀ mà không phát ra ánh sáng.

Giảm sáng do oxy: Khi các phân tử oxy có mặt, chúng có thể tương tác với phân tử bị kích thích trong mức S₁  thông qua các vụ va chạm. Sự tương tác này chuyển năng lượng kích thích đến phân tử oxy, ngăn fluorophore quay trở lại mức S₀ thông qua huỳnh quang. Phân tử oxy không tự phát ra ánh sáng, nhưng cường độ phát quang tổng thể (huỳnh quang) bị giảm. Hiệu ứng dập tắt oxy này được thể hiện bằng một mũi tên đứt nét trong sơ đồ Jablonski. Mức độ dập tắt phụ thuộc vào nồng độ oxy và tính chất cụ thể của fluorophore.

2.    Nguyên lý quang học của cảm biến pH:

Chất nhuộm chỉ thị: Ở đây, chất nhuộm nhạy cảm với pH được sử dụng. Cấu trúc hóa học và cấu hình điện tử của chất nhuộm thay đổi tùy thuộc vào độ pH xung quanh.

Hấp thụ phụ thuộc pH: Tùy thuộc vào độ pH, chất nhuộm hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng cụ thể. Quá trình hấp thụ này thúc đẩy phân tử chất nhuộm đến trạng thái điện tử bị kích thích.

Phát xạ và phụ thuộc pH: Phân tử chất nhuộm bị kích thích sau đó có thể thư giãn trở lại trạng thái cơ bản bằng cách phát ra ánh sáng (huỳnh quang). Điểm mấu chốt là cường độ hoặc quang phổ của ánh sáng phát ra (phân bố bước sóng) thay đổi tùy thuộc vào sự thay đổi do pH gây ra trong cấu trúc của thuốc nhuộm. Bằng cách phân tích những thay đổi về tính chất phát thải này, chúng ta có thể xác định độ pH của dung dịch.

KẾT QUẢ

Hình 2: Phổ huỳnh quang của chất nhạy sáng ưa nước (Rose Bengal) với nồng độ oxy khác nhau.

Hình 2 minh họa ảnh hưởng của nồng độ oxy đến tính chất phát quang của một phân tử gọi là RB (Rose Bengal). Tất cả các phép đo sử dụng cùng một nồng độ phân tử nhạy sáng. Dưới ánh sáng kích thích 523 nm, RB hiển thị các đỉnh huỳnh quang ở các bước sóng cụ thể. Tuy nhiên, lân quang, một dạng phát xạ ánh sáng khác từ các phân tử bị kích thích, không có trong điều kiện oxy bình thường và cao. Đáng chú ý, khi nồng độ oxy giảm đáng kể, một đỉnh lân quang rõ rệt đã xuất hiện. Phát hiện này phù hợp với nghiên cứu trước đây. Con số này nhấn mạnh vai trò quan trọng của oxy, vì nồng độ của nó ảnh hưởng lớn đến cả phát xạ huỳnh quang và lân quang trong RB. Sự thay đổi này chuyển thành một sự thay đổi trong cấu hình phát xạ ánh sáng tổng thể. Đáng chú ý, cường độ lân quang tăng lên khi nồng độ oxy hòa tan giảm. Hình 2 cho thấy nồng độ oxy có thể ảnh hưởng đáng kể đến cách RB phát ra ánh sáng.

THình vẽ trình bày phổ huỳnh quang của fluorescein được đo trong dung dịch nước ở các giá trị pH được chỉ định khác nhau.

Hình 3: Phổ huỳnh quang của fluorescein được đo trong dung dịch nước ở các giá trị pH được chỉ định khác nhau.

Giống như một chỉ thị pH, tính chất hấp thụ ánh sáng của fluorescein thay đổi dựa trên độ axit hoặc độ kiềm của môi trường xung quanh, như thể hiện trong Hình 3. Ở pH cao (điều kiện cơ bản), fluorescein chủ yếu tồn tại dưới dạng dianion (hai điện tích âm) với độ hấp thụ cực đại khoảng 490 nm. Khi môi trường trở nên có tính axit hơn (pH thấp hơn), nồng độ dianion giảm và các dạng ion khác của fluorescein trở nên nổi bật hơn. Chúng bao gồm các anion (một điện tích âm) với cực đại hấp thụ khoảng 474 nm và 453 nm, dạng trung tính hấp thụ tối đa ở 433 nm và cation (một điện tích dương) với phổ hấp thụ yếu. Những phát hiện này phù hợp tốt với nghiên cứu trước đây, củng cố tiềm năng của fluorescein như một cảm biến pH do cấu hình hấp thụ thay đổi của nó.

HỆ THỐNG CẢM BIẾN OXY VÀ pH

1. 1.    Hệ thống cảm biến oxy:

Hình 4: Hệ thống huỳnh quang kế pha từ Ocean Optics, NeoFox và bó sợi phân nhánh.

Máy đo huỳnh quang pha NeoFox:

• NeoFox là một thiết bị để bàn được thiết kế đặc biệt để đo tuổi thọ, pha và cường độ huỳnh quang. Khả năng nâng cao này khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi độ nhạy cảm với các yếu tố môi trường và độ ổn định của hệ thống.
• Đo tuổi thọ huỳnh quang: Kỹ thuật này không chỉ đơn thuần là đo cường độ ánh sáng phát ra. Nó phân tích thời gian trung bình một phân tử ở trạng thái kích thích trước khi giải phóng ánh sáng. Tuổi thọ này có thể nhạy cảm với môi trường xung quanh, bao gồm cả nồng độ O₂.
• Phát hiện dịch pha: NeoFox có thể phát hiện sự dịch pha giữa ánh sáng kích thích và huỳnh quang phát ra. Sự chuyển pha này cũng có thể bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các phân tử oxy, cung cấp thông tin bổ sung để cảm nhận O₂ chính xác.
• Ưu điểm: Compared to traditional intensity-based methods, NeoFox offers enhanced sensitivity and reduced susceptibility to interferences, making it a valuable tool for demanding applications.
• Ứng dụng: NeoFox được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm giám sát môi trường (đo lượng oxy hòa tan trong nước), giám sát quá trình sinh học (phân tích nồng độ oxy trong nuôi cấy tế bào) và nghiên cứu vật liệu (điều tra sự khuếch tán oxy trong polyme).

Sợi chia quang BIFBORO-1000-2:

• Sợi chuyên dụng này hoạt động như một hướng dẫn ánh sáng với hai nhánh riêng biệt. Một nhánh cung cấp hiệu quả ánh sán g kích thích từ NeoFox đến đầu của cảm biến sợi quang, trong khi nhánh còn lại thu thập ánh sáng phát ra và hướng dẫn nó trở lại NeoFox để phát hiện. 
• Lợi ích: Thiết kế chia đôi đảm bảo phân phối và thu thập ánh sáng hiệu quả, giảm thiểu mất tín hiệu trong quá trình thiết lập. Ngoài ra, BIFBORO-1000-2 cung cấp:
• • Tính linh hoạt: Nó có thể được sử dụng với nhiều loại cáp quang khác nhau, O_2 Cảm biến có đường kính khác nhau (từ cực nhỏ đến khá lớn), mang lại sự linh hoạt cho các ứng dụng đa dạng. 
  • Độ bền: Các bó sợi này thường được chế tạo từ nhiều sợi quang đơn, cung cấp một hệ thống phân phối ánh sáng mạnh mẽ và đáng tin cậy.
• 2.    Hệ thống cảm biến pH: 
• Để đo ánh sáng phát xạ, máy quang phổ Ocean SR là một công cụ mạnh mẽ. Độ phân giải quang phổ cao của nó cho phép phân tích chi tiết ánh sáng phát ra, dẫn đến các phép đo pH có độ chính xác cao. Ngoài ra, Ocean SR cho phép giám sát thời gian thực và có tiềm năng viễn thám, cung cấp một bức tranh toàn diện về cảm biến oxy và nồng độ pH. Sự kết hợp sáng tạo này cung cấp một cách tiếp cận đầy hứa hẹn cho giám sát môi trường, phân tích sinh học và chẩn đoán y tế.

​​​​​​​

Hình 5: Máy quang phổ OceanSR..

KẾT LUẬN

Oxy (O₂) và pH là nền tảng cho cuộc sống và công nghiệp, đòi hỏi phải theo dõi chính xác. Ghi chú ứng dụng này đã khám phá cách các cảm biến sợi quang, tận dụng sự phát quang, cách mạng hóa, O₂ và phát hiện pH. Những cảm biến này cung cấp các phép đo không xâm lấn, thời gian thực và tiềm năng thu nhỏ. Chúng tôi đã thảo luận về dập tắt huỳnh quang và lân quang cho O₂ cảm biến và thuốc nhuộm chỉ thị cho cảm biến pH, tất cả đều dựa trên tương tác phát quang. Hình vẽ kết luận nhấn mạnh tầm quan trọng của hiệu chuẩn đối với các phép đo pH chính xác. Nhìn chung, cảm biến sợi quang dựa trên phát quang cung cấp một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt cho O₂ và phát hiện pH, với các ứng dụng trong giám sát môi trường, phân tích sinh học và chẩn đoán y tế.