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