Universitatea Tehnică a Moldovei [310490]

Universitatea Tehnică a Moldovei

Cercetarea proprietăților de Detectare a glucozei a structurilor plazmonice cu fibra optică.

A efectuat: st.gr.ISBM-141 Andries Dumitru

A verificat: dr. habilitat Buzdugan Artur

Chișinău 2018

Universitatea Tehnică a Moldovei

Facultatea ___________________________________________________ Catedra _____________________________________________________

Specialitatea__________________________________________________

Aprob

prof.dr.ing. [anonimizat]

_______________________

„____”_____________ 2018

CAIET DE SARCINI

pentru proiectul de licență al student: [anonimizat] “Cercetarea proprietăților de detectare a glucozei a structurilor plazmonice cu fibra optică” [anonimizat]. 1 din 03.11.2017

Termenul limită de prezentare a proiectului 31 mai 2018

[anonimizat], Conf. Dr. Ing. M. STANCIU , C.P. III, Dr. Chim. [anonimizat] 2004.

– Integrated Optic Surface Plasmon Resonance Measurements in a [anonimizat], Alfonso C. Cino, Alessandro C. Busacca, [anonimizat]-Sanseverino,  Sensors 2008, 8(11), 7113-7124; doi:10.3390/s8117113.

– Culeac, I., Nistor, I., Iovu, M., Andriesh, A., "Fiber optic interferometric method for registration of IR radiation". In the book: A. Vaseashta and N. Enake, (Eds.), [anonimizat], [anonimizat] A: [anonimizat] 10.1007/978-94-2488_42, Ó [anonimizat] B.V. 2012, P. 379-388.

– Оптические сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса для высокочувствительного биохимического анализа, Д.А. Мамичев, И.А. Кузнецов, Н.Е. Маслова, М.Л. Занавескин, №6, 2012 Молекулярная медицина.

Conținutul memoriului explicativ

Studiu de sinteză a senzorilor biomedicali be baza fibrei optice.

[anonimizat]. Rezultate experimentale.

Argumentarea economică a perspectivei biosenzorilor medicali.

Protecția muncii în lucru cu surse de radiații neionizante (lasere)

Conținutul părții grafice a proiectului

Principiului funcționării senzorilor cu fibră optică.

Răspândirea senzorilor cu fibră optică după principii de funcționare și domenii de aplicare.

Ilustrarea excitației plasmonului de suprafață în configurația Kretchmann.

Schema biosensorului cu plasmoni de suprafață pe baza de fibră optică.

Ilustrarea schematică a metodei de determinare a pierderilor optice în firba optică prin metoda de frîngere.

Distribuția indicelui de refracție pentru fibra optică din polimer cu profilul indicelui de refracție în treaptă.

Distribuția intensitații în câmpul îndepartat pentru o fibră multimod din sticlă de cuarț.

Lista consultanților:

Data înmânării caietului de sarcini_______________________________

Conducător _________________________ semnătura

Sarcina a fost luată pentru a fi executată

de către student: [anonimizat] _________________________ 29.01.2018

semnătura data

PLAN CALENDARISTIC

Student ______________________________________

Conducător de proiect __________________________

Subsemnatul (a) ____________ declar pe proprie răspundere că lucrarea de față este rezultatul muncii mele, pe baza propriilor cercetări și pe baza informațiilor obținute din surse care au fost citate și indicate, conform normelor etice, în note și în bibliografie.

Declar că lucrarea nu a mai fost prezentată sub această formă la nici o instituție de învățământ superior în vederea obținerii unui grad sau titlu științific ori didactic.

Semnătura autorului,___________

Întroducere

Capitolul I. Studiul de sinteză. Formularea problemei

1.1. Studiul literaturii la tema „Senzori cu fibra optică”

Senzorii cu fibre optice sunt dispozitive cu fibră optică pentru detectarea unor parametri de exemplu temperatura, deformarea, vibrația, presiunea, accelerația, rotația și concentrația substanțelor chimice. Principiul de funcționare (fig.1) al acestor dispozitive este că lumina de un laser transmisă prin intermediul fibrei optice, se confruntă cu o schimbare în caracteristicile sale în fibre sau în una sau mai multe rețele Bragg, și ajungând la detector ne oferă estimările acestor schimbări.

Fig 1. Ilustrarea principiului funcționării senzorilor cu fibră optică [11]

În comparație cu alte tipuri de senzori senzorii cu fibră optică se caracterizează cu următoarele avantaje:

dimensiuni mici;

performanțe înalte de exploatare în medii periculoase și la distanță;

sensibilitate redusă la perturbații EM externe;

cost relativ scăzut;

sensibilitate înaltă la semnale incidente de intensități (amplitudini) mici;

domeniu dinamic mare;

rezistența ridicată la radiațiile ionizante;

posibilitatea de multiplexare și control distribuit pe distanțe lungi, etc

Tabelul 1. Exemple de parametri fizici care pot fi detectați de către senzorii cu fibră optică [12]

1.2 Clasificarea senzorilor de fibră optică

Senzorii de fibră optică pot fi împărțiși în două categorii – senzori intrinseci (fig. 2-a) și extrinseci (exteriori) (Fig. 2-b). Senzorii intrinseci înseamnă că senzorul este confecționat în interiorul fibrei sau fibra în sine servește drept element de detectare. Senzorii cu fibră optică extrinseci se disting prin caracteristica faptului că senzorul (elementul de detecție) este plasat în afara fibrei [42].

Fig. 2 Modelul senzorilor intrinseci (a) și extrinseci (b) pe baza fibrei optice /A.Mendoza/

Ca detectori pot fi folosite elemente în baza materialului semiconductor, membrane de reflecție, rețele de difracție, elemente Fabry-Perot, etc. [2,3].

Pe baza principiului modulării fasciculului luminos, senzorii pe fibră optică pot fi împărțiți în următoarele categorii:

Senzori cu modulație a intensității. În senzorii de fibră optică cu modulație a intensității, schimbarea intensității undei electromagnetice este o măsură a schimbării mărimii fizice măsurate.

Senzori cu modulație de fază. Senzorii cu fibră optica cu modulație de fază (senzori interferometrici) sunt de obicei asociați cu interferența a două fascicule de lumină. Principiul de lucru al senzorilor cu modulatie de faza se bazează pe efectul de modulație al fazei undei electromagnetice a fascicolului de proba, care se propaga prin elementul senzorial.

Senzori cu modulație de frecvență. Acești senzori funcționează pe principiul variației lungimii de undă a luminii transmise. Unul dintre exemplele senzorului cu modulație de frecvență se refera la senzorii cu fibră optică cu rețele de difracție Bragg.

Senzori cu modulație prin polarizare. Senzorii de polarizare cu fibra optica se bazează pe principiul variației polarizării fasciculului sub acțiunea perturbației externe (câmp electric sau magnetic, deformare mecanică etc.).

Senzori cu fibră optică cu modulație de fază sunt utilizați în cazul când este necesară o sensibilitate avansată. Majoritatea senzorilor cu fibră optică cu modulație de fază se referă la senzori intrinseci și utilizează fibre optice monomod. Principiul de funcționare a senzorului de fibră optică cu modulatie de fază este reprezentat în figura 3.

Faza ƒ a unei unde electromagnetice a lungimii de undă λ care se propagă de-a lungul fibrei optice pe distanța geometrică L este dată de relația:

=2L/= 2n1 L/

unde n1 este indicele de refracție a miezului fibrei și λ0 este lungimea de undă a radiației în vid. Variația oricărei distanșei geometrice sau a unui indice de refracție (datorită variației temperaturii, a deformației, etc.) va produce o variație a fazei undei electromagnetice care se propaga prin fibră:

=2/0 (n1L +n1L)

Trebuie menționat faptul, că schimbările relativ mici în calea geometrică a fibrei optice dau naștere unor variații substanțiale în faza undelor electromagnetice. În mod similar, variațiile mici în indicele de refracție dau naștere unor variații puternice ale fazei undei electromagnetice. Termenul n1 ΔL + Δn1L reprezintă diferența de cale optică. Acum, pentru a înregistra diferența de fază este necesar să se convertească diferența de fază în amplitudinea undei electromagnetice. Aceasta se realizează prin interferența a două fascicule luminoase. În cazul fibrelor monomode diferența de fază este reprezentată de relația:

= L + n + g,

unde termenii din dreapta sunt legați de modificarea lungimii fibrei optice, indicele de refracție, precum și de geometria fibrei optice. Variațiile de fază sunt convertite în intensitatea semnalului electric prin utilizarea diferitelor configurații de interferometre – Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot etc. Fotodetectorul convertește semnalul optic modulat în fază în semnal electric în funcție de relația:

I = A2(1+ m2) + 2mA2cos(φ1- φ2),

sau I =(A12 + A22 +2 A1A2 cos((φ1- φ2),)

am reprezentat intensitatea, A1 = A este amplitudinea complexă normalizată pentru unda electromagnetică 1, A2 = mA este amplitudinea complexă normalizată pentru unda electromagnetică 2, iar m este un factor scalar și φ1 și φ2 reprezintă fazele pentru unda 1 și respectiv 2.

Senzor de fibră optică cu rețele Bragg reprezintă mai degrabă un dispozitiv simplu care constă într-o modulare periodică a indicelui de refracție de-a lungul miezului fibrei. Cuplând lumină în fibră optică se poate efectua multe funcții, cum ar fi reflexia, difracția, filtrarea (spațială, polarizarea etc.) într-o manieră foarte eficientă. Fibrele din sticlă cu rețele Bragg sunt prevăzute să aibă un impact critic atât în domeniul telecomunicațiilor, cât și în domeniul senzorilor de fibră optică.

Fig. 4. Formarea rețelei Bragg într-o fibră optică prin iradiere cu raze laser UV [19].

Formarea rețelei Bragg într-o fibră optică prin iradiere cu raze laser UV este prezentată în figura 4. Rețeua Bragg din fibră reprezintă ea însăși un filtru de bandă neregulată. Lungimea de undă centrală a spectrului de reflecție este reprezentată de relație [19,20]:

λB = 2eΛ

Lungimea de undă Bragg este o funcție pe indicele de refracție și rețele, în timp ce acestea depind de temperatură, deformări de tensiune etc. În consecință, monitorizarea variației lungimii de undă Bragg λB poate controla temperatura sau deformările mecanice. Variația lungimii de undă Bragg λB sub variația de temperatură ΔT poate fi reprezentată ca în [20]:

ΔλB = 2((∂ne/∂T) = ne(∂Λ/∂T)ΔT = λB(α + σ)ΔT

unde α = (1/Λ)(∂Λ/∂T) este coeficientul de expansiune termică și σ = (1/ne)(∂ne/∂T) este coeficientul termoptic pentru fibra optica. Variația lungimii de undă λB în cazul deformării mecanice ez poate fi reprezintată ca: ΔλB = λB(1 – pe)ez, unde ex reprezintă deformarea axială și pe este constanta optica efectiva a deformarii [20].

Senzori de fibră optică pe baza metodei Schlieren sunt descriși în [18]. Elementul de bază al acestui senzor este reprezentat de două rețele (Figura 5). Deplasarea reciprocă a rețelelor mobile conduce la modularea intensității fasciculului luminos care se propagă prin senzor (Figura 6). Sensibilitatea estimată a acestor senzori așa cum este descrisă de către autori este foarte ridicată ~ 2,5 x 10-3 nm [18].

Fig. 5. Reprezentare schematica a senzorilor cu fibră optică, care folosesc procedura tehnică Schlieren [18]

Senzori cu fibră optică cu micro-îndoire reprezintă alt grup de senzori cu fibră optică, ce se bazează pe principiul pierderilor optice induse de micro-îndoire fibrei optice. Sa demonstrat că atunci când este indusă o micro-îndoire periodică de-a lungul axei optice a fibrei, intensitatea luminii este cuplată între modurile, care au constantele de propagare K și K’ care satisfac următoarei relații [13-15]:

K – K’ = ±2π/Λ,

unde Λ este perioada de perturbatie mecanică.

a) b)

Fig. 6. (a) Reprezentarea elementului de micro-îndoire din fibra optica a senzorului de fibră optică; (b) Amplitudinea și deplasarea pentru senzorul de deplasare a microundei cu fibră optică cu configurație modificată [16,17]

Pentru o perioadă de micro-îndoire Λc există o creștere rezonantă a pierderilor optice cauzate de micro-îndoire datorită conversiei modurilor [13-15]. Perioada de micro-îndoire critică λc este determinată de diametrul fibrei și de diferența indicelor de refracție: Λc = 2πa/(2Δ)1/2 unde a este diametrul miezului fibrei și Δ se referă la diferența de indice de refracție al miezului ncore și învelișul nclad,Δ=(ncore–nclad)/nclad, [14]. O configurație modificată a senzorilor de fibră optică pe baza modului de conversie indusă de micro-îndoire a fost propusă în [16-17]. Caracteristica de transmisie a acestui senzor de fibră optică este reprezentată în (Fig. 6-b).

Senzori cu fibră optică cu rezonator Fabry-Perot. În interferometrul cu fibră optică Fabry-Perot, interferența are loc pe suprafața fibrei rezultat al reflecției de la o oglindă externă (figura 7). Mărimea elementului sensibil bazată pe acest principiu poate fi la fel de mică ca diametrul fibrei, adică aproximativ 0,1 mm, iar sensibilitatea poate atinge nivelul sub-angstrem. Putem folosi pentru astfel de interferometru o sursă optică de coerență scăzută [26]. Semnalul luminos I0 este întrodus în capătul de întrare al fibrei optice. Fascicolul de lumină reflectat de la fața de ieșire a fibrei interferează cu fascicolul de lumină reflectat de oglinda mobilă. Ca urmare a interferenței celor două fascicole luminoase, semnalul I de la fotodetectorul 5 este modulat în funcție de distanța x0 între suprafata de iesire al fibrei optice și oglinda:

I = 2I0(1 + cos(4πx0/λ + φ0))

Deplasarea oglinzii cu ½ din λ dă naștere la o variație de fază egală cu 2π, ceea ce influențează intensitatea luminii la detector care este echivalentă cu o perioadă.

Fig. 7. Reprezentarea unui senzor de fibră optică bazat pe un element Fabry-Perot [26].

Trebuie să menționăm unele dintre cele mai recente evoluții în acest domeniu [28-32]. De exemplu, H. Xiao et. al. [29] au elaborat un senzor de fibră optică bazat pe o fibră de safir, care este capabil să funcționeze la temperaturi de până la 1004 ◦C cu o rezoluție de deformare a tensiunii de 0,2 µ. Rezultate similare au fost obtinute de W.Peng, G.R.Pickrell si A.Wang [30], care au realizat un senzor de presiune din fibra optica cu zirconiu cubic pentru functionarea la temperaturi ridicate. O performanță remarcabilă a fost obținută de K.Totsu et. al. [28], care au realizat fibră de presiune ultraminiatură bazată pe interferometrie ușoară (Figura 8).

Fig. 8. Senzor ultra-miniatural de fibră optică cu ajutorul interferometriei ușoare [28]

O ilustrare a răspândirii diferitelor tipuri de senzori cu fibră optică este prezentata în Figura 9 [4]. Răspândirea largă a senzorilor modulați de intensitate se datorează avantajelor oferite de această categorie de senzori din fibră optică: sensibilitate ridicată, dimensiuni reduse, costuri relativ scăzute, posibilitatea multiplexării, ușurința de funcționare etc.

Fig. 9. Răspândirea senzorilor cu fibră optică după principii de funcționare (a) și

domenii de aplicare (b)

Un sir întreg de senzori cu fibră optică au fost realizați cu succes nu numai pentru aplicații industriale [33, 34], dar in mod specific și pentru aplicații biomedicale [35-37]. Printre aceste structuri notăm cele bazate pe rețele Bragg în fibră optică (FBG), cavități Fabry-Perot sau interferometre Fabry-Perot cu cavitate exterioară, interferometre Sagnac, interferometre Mach-Zender, microbendule, ș.a. Din toate acestea, cele mai frecvente sunt structurile bazate pe elementele EFPI și FBG.

1.3. SENZORII BIOMEDICALI CU FIBRĂ OPTICĂ

Un biosenzor este un dispozitiv analitic ce combină un element biologic de detectare cu un element fizic traductor, în care legătura sau reacția dintre elementul țintă și elementul de recunoaștere este transformată într-un semnal electric măsurabil [46]. Dintre acești, biosenzorii optici sunt puternică alternativă la tehnicile analitice convenționale datorită costurilor eficiente, detectării rapide și portabile, ceea ce face posibilă monitorizarea la fața locului și în timp real fără a fi necesare procedura lungă de pregătire a unei mostre. Biosenzorii optici au aplicații potențiale vaste în domeniul monitorizării mediului, siguranței alimentare, dezvoltării preparatelor farmaceutice, și diagnosticul și tratamentului medical [54].

Senzorii biomedicali cu fibra optica pot fi clasificate în patru categorii principale: fizici, imagistici, chimici și biologici. Senzorii fizici măsoară o varietate de parametri fiziologici, cum ar fi temperatura corpului, tensiunea arterială și deplasarea musculară. Senzorii imagistici cuprind ambele dispozitive endoscopice pentru observarea internă și imagistică, precum și tehnici mai avansate, cum ar fi tomografia de coerență optică (OCT) și imagistica fotoacustică, unde scanările interne și vizualizarea pot fi făcute neintruct. Senzorii chimici se bazează pe tehnici fluorescente, spectroscopice și indicatoare pentru a identifica și măsura prezența anumitor compuși chimici și a variabilelor metabolice (cum ar fi pH-ul, oxigenul din sânge sau nivelul glucozei). Acestea detectează speciile chimice specifice în scopuri de diagnosticare, precum și monitorizează reacțiile și activitatea chimică a organismului. Senzorii biologici (vezi Tab.2) [42]. tind să fie mai complexi și se bazează pe reacțiile de recunoaștere biologică – cum ar fi substratul enzimatic, antigen-anticorp sau receptorul ligand-pentru a identifica și cuantifica molecule biochimice specifice de interes.

Tab. 2. Clasificarea senzorilor biomedicali în dependență de parametrii de interes

În ceea ce privește dezvoltarea senzorilor, senzorii imagistici sunt cei mai dezvoltați, urmați de senzorii de fibră optică pentru măsurarea parametrilor fizici, iar spectru și senzorii pentru detectarea biochimică.

Senzorii biomedicali prezintă provocări unice de proiectare legate de interfața lor cu un organism biologic. Senzorii trebuie să fie siguri, fiabili, stabili, biocompatibili, supuși sterilizării, să nu fie supuși respingerii biologice și să nu necesite calibrarea (sau cel puțin să mențină calibrarea pe perioade lungi). Ambalarea senzorilor este un aspect deosebit de critic, deoarece dispozitivele trebuie să fie foarte mici – în special cele pentru implantare sau locație. De asemenea, dispozitivele trebuie să fie cât mai simple posibil.

Aplicațiile pentru senzori biomedicali pot fi clasificate ca in vivo sau in vitro. In vivo se referă la aplicarea pe un întreg organism viu, cum ar fi un pacient uman; in vitro – la testarea în afara corpului, cum ar fi analizele de sânge de laborator. Din perspectiva modului în care sunt aplicați unui pacient sau unui sistem biologic, senzorii pot fi clasificați ca neinvazivi, de contact (e.g. suprafața pielii), minim invazivi (locație temporară) sau invazivi (implantabili). Senzorii biomedicinali pot fi utilizați pentru diagnosticare, terapie, terapie intensivă, cercetare, dezvoltare preclinică sau teste de laborator. Acești factori condiționează interesul față de producerea cât mai largă comercială:

Tab. 3. Exemplu de senzori biomedicali comerciali pe baza fibrei optice

1.4. Senzorii plazmonici cu fibra optica pentru aplicatii biomedicale

Astăzi, biosenzorii sunt folosiți pe scară largă pentru analize biochimice în diferite sfere ale vieții umane, care se datorează sensibilității ridicate, vitezei și micilor dimensiuni. Cele mai utilizate biosenzori optici, a căror acțiune se bazează pe fenomenul de rezonanță plasmonică de suprafață, deoarece acestea au un număr de avantaje în comparație cu alte tipuri de senzori.

În ciuda diversității biosenzorilor, cei mai răspândiți sunt biosenzorii optici [17, 18]. Aceasta este datorită faptului, că aceștia din urmă permit detectarea unei cantități foarte mici de substanță și pot fi adaptați pentru analiză și detectarea unui număr mare de diferite obiecte chimice și biologice. În prezent, în acest sens pozițiile de conducere sunt ocupate de biosenzori ale căror acțiuni se bazează pe spectroscopia rezonanței plasmonului de suprafață [55] și împrăștierea uriașă Raman a luminii (HRS) [56].

Termenul de plasmoni de suprafață se referă la oscilațiile locale ale densității electronilor liberi creați de o undă electromagnetică incidentă la interfața dintre metal și un material dielectric în condiții de rezonanță. Spre deosebire de plasmonii din volum (oscilațiile electronilor de conducție în interiorul rețelei ionice a cristalului) plasmonii de suprafață sunt unde electromagnetice de suprafață ce se propagă în direcția paralelă cu interfața metal-dielectric (semiconductor) și sunt puternic localizațe la granița dintre medii optice diferite. În rezultat undele evanescente devin extrem de sensibile la orice modificare a condițiile la interfață (e.g. adsorbția moleculelor la suprafața metalului). Aceste proprietăți a plasmonilor de suprafață permit utilizarea lor la detectarea concentrațiilor ultrafineale diverselor compuși biochimici.

Figura 10-a ilustrează excitația rezonanței plasmonului de suprafață în condițiile configurației Kretchmann [14, 15, 17]. In citeva cuvinte efectul rezionantei plasmonice de suprafata poate fi descris in felul urmator. Dacă vom înregistra intensitatea fasciculului de lumină polarizată p, reflectată din interfața prismă-metal (Figura 10-a), vom obține o caracteristică similară celei reprezentate în Figura 10-b. În condițiile de rezonanță dintre unda electromagnetica evanescenta și plasmonul de suprafață, intensitatea fasciculului de lumina, reflectată la interfață, scade puternic, dupa cum este ilustrat in Figura 10-b [10]. Poziția de rezonanță depinde de condițiile exterioare pe suprafața filmului subțire metalic, iar acest efect este explorat în dezvoltarea diverselor configuratii de biosenzori plasmonici (Figura 11-13).

b)

Fig. 11 Schema biosensorului cu plasmoni de suprafață pe baza de fibră optică [57]

Fig. 12 Schema biosensorului în baza rețelei submicronice pe baza plasmonilor de suprafață [57].

Fizica plasmonilor de suprafață este descrisă într-un număr mare de publicații [14-20]. Plasmonii de suprafață pot fi excitați în următoarele condiții:

• lumina este polarizată;

• polarizarea fascicolului incident sa este de așa natură încât vectorul câmpului electric al undei electromagnetice se află în planul de incidență, iar vectorul câmpului magnetic este paralel cu suprafața metalului;

• proiecția vectorului de unda al fotonilor de lumină pe planul filmului este egală cu vectorul de undă al plasmonului de suprafață.

Rezonanța plasmonului de suprafață apare atunci când componenta paralelă a vectorului undei de lumina din prismă, kx, este egal cu vectorul de undă al modei plasmonice kp, kx = kp (Fig. 10-a). Prin urmare, condiția de rezonanță pentru plasmonul de suprafață este [5-7]:

,

unde λp este lungimea de undă a plasmonului de suprafața, ,și sunt constantele permitivității dielectrice pentru filmul metalic și, respectiv, pentru mediul dielectric extern.

Mărirea substanțială a rezoluției (pragul sensibilității 10-6-10-7 RIU – refractive index unit) sensorilor plasmonici se efectuează prin utilizarea interferometrelor Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot.

Fig. 13 Principiul lucrului bisensorului plasmonic la utilizarea metodei uniforme (a) și neuniforme (b) de înregistrare a biomoleculei în mediu [57] â

1.5 Concluzii și formularea obiectivelor tezei de licență

Tehnicile de realizare a senzorilor chimici și biochimici, pe baza dispozitivelor optice și optoelectronice, tind să devină din ce în ce mai utilizate, majoritatea implicând folosirea fibrelor optice. Direcția principală de investigare în acest domeniu o reprezintă dezvoltarea membranelor sensibile din punct de vedere chimic și biochimic, atât pentru mediile lichide, cât și pentru cele gazoase, în ultimul caz lucrându-se, în special, în spectrul de radiație infraroșu. În majoritatea cazurilor de senzori chimici și biochimici cu fibre optice, principalele etape ale conversiei mărimii de măsurat într-o mărime electrică sunt:

I. Transformarea unui semnal electric într-un semnal luminos de excitație cu intensitatea, coerența și lungimea de undă solicitată;

II. Semnalul luminos de excitație influențează (excită, prin intermediul unui fenomen fizic – fotochimic) analitul (mediul chimic sau biochimic de analizat). În cazul fenomenelor de chemiluminescență și biochemiluminescență, aceste prime două etape sunt lipsă;

III. Sub influența semnalului luminos de excitație au loc reacții chimice, urmate de procese de recunoaștere moleculară și de conversie a mărimilor chimice și biochimice în semnale optice, prin utilizarea unor indicatori imobilizați pe corpul senzorului. În cazul, în care nu există un indicator direct pentru analitul studiat, se utilizează analiți intermediari (O2, CO2, straturi bioreactive etc.), cu funcție de indicatori sau substanțe de marcare;

IV. Semnalul optic modulat este convertit într-un semnal electric, cu ajutorul unor fotodetectori și prelucrat electronic, în funcție de modelul matematic al procesului.

Biosenzorii în biomedicina clinică cuprinde tot mai mare spectru de detecția a compușilor vitali sănătății omului (ex. Figura 13-14).

Fig. 14. Domeniile uzuale ale concentrațiilor celor mai importante specii (bio)chimice din sânge [58] .

Un domeniu aparte în senzorica biomedicinală devine tot mai interesant pe baza senzorilor plasmonici cu fibra optică.

Rezultatele promițătoare în domeniul senzorilor au fost realizate pe baza de fibra optică din cuarț sau sticle calcogenice în Laboratorul de Optoelectronică al IFA AȘM [17, 46-47]. Aceste prime rezultate, cât și rezultatele altor autori din centre științifice avansate de pe mapamond indică oportunitatea studiului identificării unor senzori plasmonici biomedicali pe baza fibrelor optice cu sensibilități de 10-6-10-7 RIS pentru compuși biochimici din corpul uman.

Din aceste considerente au fost formulate în caietul de sarcini următoarele obiective:

Selectarea și studierea literaturii pe profilul tezei.

Alegerea și argumentarea senzorilor pe baza fibrei optice ca obiect de studiu.

Însușirea metodelor de experimentare din laborator.

Pregătirea obiectului de studiu și petrecerea experimentelor.

Analiza datelor experimentale. Formularea concluziilor privind rezultatele obținute.

Formularea argumentării economice a perspectivei senzorilor cu fibra optică.

Studierea și expunerea cerințelor de securitate a muncii la lucru cu radiații neionizante

Capitolul II. INSTALAȚII EXPERIMENTALE, METODOLOGIA ȘI OBȚINEREA STRUCTURILOR CU FIBRA OPTICĂ PENTRU CERCETARI EXPEREMENTALE

2.1. Tehnologia de obtinere a fibrelor optice. Masurarea pierderilor optice totale

Schematic este reprezentată instalația de obținerea (Figura 15) a fibrelor optice. Folosind aceasta instalație obținem firba optică prin metoda extragerii care este cea mai simpla metoda de a obține fibrele optice. În creuzet se introduce materialul sticlos dupa ce creuzetul este plasat în camera de lucru. În camera de lucru se întroduce gazul inert, în cazul concret heliu, care protejează produsul final de oxidare. Cu ajutorul unui cuptor electric sau inductiv creuzetul se încalzește și în timp de 10-20 de minute se aduce la starea de lucru. Fiind dat că creuzetul este din sticlă de cuarț, iar materialul sticlos reprezintă sticlă calcogenică cu temperatura topirii mai scazută fața de creuzet din sticlă de cuarț, sticla calcogenică se topește mai repede și reglând temperatura și viteza mechanismului de îmbobinare ca rezultat obținem fibra optică fără înveliș cu un anumit diametru.

Instalația de laborator, folosita pentru obținerea fibrelor optice din sticle calcogenice este reprezentata in Figura 16-a. In Figura 16-b este reprezentat mecanismul der bobinare al fibrelor optice. Diametrul fibrelor optice este modificat prin variația temperaturii cuptorului de topire, diametrul filierii, viteza de bobinare, etc. Pentru prevenirea oxidării suprafetei fibrelor optice instalația este prevăzută cu un sistem de circulație a gazului inert (de exemplu, Ar sau He), de puritate înaltă.

In Figura 17-18 este reprezentată imaginea fotografică a unor fibre optice din sticlă calcogenică As2S3 fără înveliș, obținute la instalația experimentală de laborator. Fibrelor au fost obținute la temperatura de 400 C, având diametrul 50-150 m. Pierderile obtice, măsurate prin metoda de frîngere, constituie circa ~ 1dB/m la lungimea de undă 1,15 m.

În cazul utilizării unui creuzet dublu se pot obține fibre optice din sticlă cu borosilicat de sodiu sau din sticlă cu borosilicat de sodiu și calciu, acestea fiind caracterizate de atenuări mici pe un domeniu spectral larg din vizibil până în IR (Figura 19). Practic este aceași metodă de extragere cum este descris mai sus, deferența este numai în creuzet dublu și temperaturi de lucru mai înalte.

2.2. Măsurarea pierderilor optice totale într-o fibră optică prin metoda de frângere

Atenuarea radiației în fibrele optice reprezintă un factor cu influența majoră în proiectarea sistemelor cu fibre optice. Pierderile sunt puternic dependente de lungimea de undă. Intrucât majoritatea aplicațiilor sistemelor cu fibre optice (telecomunicații, senzori) sunt în spectrul vizibil și infrarosu apropiat, studiul pierderilor se limitează la acest segment spectral.

Mechanismul pierderilor intr-o fibră optică este determinat de mai mulți factori:

absorbția pe impurități;

pierderi prin absorbtie materiala;

pierderi datorate defectelor geometrice;

pierderi datorită împtrăștierii Rayleigh, etc.

Mechanismul pierderilor optice în fibre nu face parte din obiectivul tezei de față din care cauză am facut doar o enumarare a factorilor principali. Pentru o fibră optică omogenă în condiții de echilibru a destribuției modurilor, se determină atenuarea intensității radiației optice pe unitatea de lungime a fibrei [ ]

a,

unde А() – atenuarea intensității radiației optice la o lungime de undă a fascicolului de probă dintre două secțiuni transversale ale fibrelor 1 și 2, plasate una față de alta la o distanță L. Valoarea atenuării este:

A() = |4,3ln P1/P2|,

unde Р1 и Р2 – puterea optică a fascicolului de probă care se propagă de-a lungul fibrei în secțiunea transversală 1 și, respectiv, 2.

Condițiile de echilibru a destribuției modurilor pentru propagarea radiației printr-o fibră presupun, în primul rând, astfel de condiții pentru injectarea radiației, care asigură distribuția staționară a modurilor. Cu alte cuvinte, injectarea radiației trebuie să asigure că distribuția modală a radiației de măsurare este independentă de lungimea fibrei. Cu toate acestea, în practică, în special pentru fibrele optice cu o mare apertură numerică, cum ar fi fibrele din sticlă calcogenică, este destul de dificil să se asigure o distribuție staționară a modurilor. Prin urmare, pentru a descrie și compara condițiile de măsurare pentru pierderile optice totale în astfel de cazuri, se obișnuiește să se caracterizeze parametrii principali ai sistemului optic. Acestea includ lungimea de undă a fascicolului de probă, lățimea spectrală a radiației monocromatice, apertura de intrare a fasciculului, lungimea fibrei măsurată și uneori condițiile de îmbinare la receptor de radiații.

Pentru a măsura pierderile optice totale ale fibrelor din sticlă calcogenică, a fost utilizată metoda de frîngere. Aceasta metodă este cea mai raspândită pentru determinarea pierderilor optice, care, în același timp, face posibilă măsurarea coeficientului de atenuare cu o eroare mică. Fascicolul de probă este introdus în capătul de intrare al fibrei, iar la ieșirea fibrei se înregistrează intensitatea fascicolului de ieșire I1. Menținînd condițiile de injectare în fibră constante, fibra optică se frînge la o distanță L de la capătul de ieșire, și apoi se măsoară intensitatea fluxului transmis la ieșirea I2. Coeficientul pierderilor optice totale se determină în conformitate cu urmatoarea relație [87]:

Aceasta se bazează pe ipoteza că coeficientul de absorbție este independent de intensitatea fascicolului, atunci când este respectată legea Bouguer-Lambert liniară.

Schema instalației pentru măsurarea distribuției spectrale a pierderilor optice totale în fibrele de colesterol în intervalul de 0,6-2 microni este prezentată în Figura 20. Instalația include în sine un monocromator cu rețea ideala 23 cu un motor pas cu pas, o sursă de radiație 2, condensator 3 și cuarț, o radiație optică focalizându-se pe fanta de ieșire monocromatorului. Fascicol monochromatic de la ieșirea monochomatorului se focalizează la capătul de intrare al fibrei optice 4 folosind mikroobiectivul 5. pentru a ajusta capătul fibrei de intrare și injectarea a fascicolului a fost utilizat mechanism de ajustare.6. Fascicolul de probă la ieșirea fibrei a fost detectat cu ajutorul unui receptor 7. În modularea optică a fascicolului a fost utilizat un modulator mecanic 8.

Semnalul optic din receptor a fost amplificat de către un amplificator selectiv Unipan-237 și introdus la intrarea PC. Rezultatele măsurătorilor sunt afișate pe imprimare cu o mașină de scris electric (Consul -260), conjugat cu D3-28 folosind blocul de date de intrare-ieșire.

Sursa de radiație a fost o lampă cu halogen KGM-70, care a fost alimentată de la o sursă stabilă de curent continuu TES-14. Pentru a elimina liniile de interferență ale filtrelor bandpass Spectru de ieșire monocromator de ordinul al doilea utilizate în intervale de lungimi de undă de 0,6-0,8 microni de lucru; 1,0-1,5 pm; 1,5-2,0 pm.

Pentru înregistrarea radiațiilor optice la fibra de ieșire am folosit următoarele receptor de radiație: fotomultiplicator FEU-62, fotodiodă PD 3 (0,6-1,8mkm) sau photoresistor FSV-16AN (0,6-2.0 microni).

Distribuția spectrală totală a pierderilor optici în intervalul de 2-8 microni au fost măsurate utilizând un spectrometru în infraroșu, X-31 și consolele MPO modificate 4 probe mici, care a fost plasate în camera de măsurare VIC-31. Acest lucru a făcut posibilă măsurarea spectrelor pierderilor optice ale fibrelor atât în aer cât și în vid de 10-2-10-3 Torr. Distribuția spectrală a pierderii optice a fost determinată din spectrele fibrei de transmisie, radiația optică semnalul recepționat serial prin măsurarea lungimilor lungi și scurte de fibre. Bolometrul BM6-TS1U a fost utilizat ca receptor de radiație. Capetele fibrelor au fost preparate prin frîngerea, calitatea capetelor a fost controlată cu ajutorul unui microscop electronic.

Eroarea în măsurarea pierderilor optice totale a fost determinată în conformitate cu expresia [ 90 ]:

unde I1, I2 – intensitatea radiațiilor optice fibrei înainte și după frîngere; I1, I2 -respectiv erorile totale măsurării intensității radiației optice; – eroarea în măsurarea lungimii fibrei. Eroarea relativă a măsurării pierderii optice mai mică de 10% este obținută atunci când lungimea segmentului de frîngere atenuează semnalul cu cel puțin 20%

Fig. 22. Măsurarea pierderilor optice totale în fibre optice (λ= 1,15, 0,63, 0,52 µm);

2.3. Înregistrarea distribuției indicelui de refracție prin metoda câmpului apropiat

O alta metoda de caracterizarea fibrelor optice este metoda câmpului apropiat. Anterior a fost demonstrat, că distribuția intensității în câmpul apropiat este în corelație directă cu distribuția radială a indicelui de refracție în fibra optică [12,13].

In conditiile in care sursa de lumina excita uniform toate modurile de propagare a fibrei optice, aceasta corelatiue este corecta cu o aproximatie destul de buna, si permite o descriere calitativa a distributiei indicelui de refractie in fibra optica. Conditia principala pentru excitarea uniforma a modurilor de propagare in fibra optica este utilizarea unei surse de lumina de tip Lambert pentru excitarea uniforma a tuturor modurilor de propagare in fibra optica [12,13]. O dioda luminiscenta de tip LED este foarte aproape de sursa de tip Lambert, din care cauza ea a fost folosita pentru cercetarea distributiei intensitatii in cimpul apropiat.

Figura 23 este o reprezenare schematică a instalației de laborator pentru caracterizarea profilului indicelui de refracție. Pentru a obține caracteristica indicelui de refracție al fibrelor optice avem nevoie de o sursă de lumină (1). Pentru că fascicol de lumină sa fie te tip Lambert este nevoie să folosim o placă de sticlă mată (2). Fascicol de lumină (6) trecînd prin fibra optică (3) și microobiectiv (4) nimerește pe receptor CCD (5) și se înregistrează. Datele înregistrate se procesează și cu ajutorul redactorului Origin se obține un grafic al profilului indicelui de refracție al fibrei optice studiate.

Metoda câmpului apropiat este folosita pentru caracterizarea distribuției indicelui de refracție al fibrei optice. Distribuția indicelui de refracție al fibrei optice n(r) este masurata in condițiile excitarii unifome a tuturor modurilor unei fibre optice [12]. In aceste conditii intensitatea fascicolului de proba P(r) pe capatul de iesire al fibrei optice la o distanta r de la centrul fibrei este data, cu o aproximatie buna, de relatia [14]:

unde P(0) este intensitatea fascicolului de proba in centrul miezului fibrei; n(o) – este indicele de refractie in centrul fibrei optice; n2 – indicele de refractie al invelisului fibrei optice; a – este raza miezului fibrei optice..

Pentru determinarea distributiei indicelui de refractie a fost elaborat un program care permite procesarea imaginii optice, obtinute in cimpul apropiat, si calcularea distributiei n(r). In Figura 24 este ilustrat principiul de lucru al programului. Pentru conditiile specificate mai sus distributia intensitatii pixelilor in sectiunea imaginii pe diamterul fibrei optice este proportionala cu distributia indicelui de refractie (Figura 25).

În Figura 26 este ilustrata distributia indicelui de refracție pentru fibra optică cu profiluli indicelui de refracție în treapta din Figura 27, iar in Figura 28 este ilustrata distributia profilului indicelui de refractie pentru o fibra optica cu profilul indicelui de refractie parabolic. Folosind aceastea rezultate putem caracteriza fibrele optice studiate și atribui tip STEP-INDEX fibrei din polimer (fig.8), iar GRADIENT fibrei din sticlă din cuarț (fig.9)

2.4. Caracterizarea fibrelor optice prin metoda câmpului indepărtat

Radiația se propagând într-o fibră optică sub forma de moduri, numarul carora pentru fiecare fibra optica este o marime determinata de diametru fibrei optice, lungimea de unda a luminii de proba, indicele de refractie, etc. Pentru fiecare grupuri de moduri este caracteristica o anumnita distributie spatiala. Cercetarea distributiei intensitaii in cimpul indepartat sau cimpul apropiat ofera informații despre parametrii fibrei. Aceasta informatie este necesara la elaborarea diferitor structuri si senzori cu fibra optica.

Distributia intensitatii in cimpul indepartat caracterizeaza dependența angulară a intensității fascicolului de proba, care este injectat in fibra optica, la o distanta suficient de departe de capatul de iesire al fibrei (Fig. 1). În câmpul îndepărtat, distribuția unghiulara a intensității nu depinde de distanța de fibră. Cimpul indepartat este considerat pentru distanta de la capatul de iesire al fibrei optiice Z, care satisface relatiei [12]:

Z >> Z0, unde ,

iar r este raza miezului fibrei optice, λ este lungimea de unda a fascicoluli de proba. In practica, pentru metoda cimpului indepartat masurarile se efectueaza la o distanta Z mai mare decit 10Z0 de la capatul de iesire al fibrei. De exemplu, pentru fibre standard cu profilul indicelui de refractie parabolic, diamertul miezului de 50 μm și lungimea de undă de 1 μm, 10Z0 este de 2,5 cm. Iar pentru fibra o optica standard cu diametrul miezului de 100 μm, distanța 10Z0 este de ~ 10 cm [12].

Instalația pentru inregistrarea distribuției câmpului îndepărtat este reprezentată în Figura 29. Ea este alcatuită din o sursă de lumină (1), un condenser (2), modulator (M), diafragma 3, monocromator MDR-23 (4), microobiectiv (5), mechanism de poziționare fină a fibrei optice (6). In capătul de ieșire al fibrei optice este poziționat un fotoreceptor (8) care se deplasează în câmpul îndepărtat al fibrei optice pe circumferință. Fotodioda are poziționat în față o diafragmă circulară cu diamterul 100 mcm. Semnalul de la fotodiodă este amnplificat de un amplificator selectiv UNIPAN-233, si mai departe este transmis prin intermediul unui modul AD la un calculator pentru vizualizare semnalului pe monitor.

Instalația experimentală pentru cercetarea interferentei modurilor în câmpul îndepartat al fibrei optice este reprezentată în Figura 29. Instalația este alcatuită dintr-o fibră optică multimod, o sursă de lumină coerentă, un microobiectiv, un receptor CCD, și un calculator pentru procesarea imaginii speckle din cîmpul îndepartat. Lumina de proba de la sursa de lumină coerentă este injectată în capatul de intrare al fibrei optice, iar la capatul de ieșire al fibrei este inregistrată distribuția spațială a intensității fascicolului de probă în câmpul îndepărtat al fibrei optice. In momentul când o perturbație exterioară acționează pe fibra optică are loc variația distribuției intensității luminii de probă în câmpul îndepărtat al fibrei optice. Receptorul CCD plasat în câmpul îndepartat este utilizat pentru înregistrarea distribuției spațiale și a variației intensității de lumină.

Fig 31. Distribuția intensitații în câmpul îndepărtat pentru o fibră multimod din sticlă de cuarț. Profilul indicelui de refracție parabolic cu sursa de lumină de tip LED și distanța de la receptor de 4 cm.

Fig. 32.

Cercetări experimentale pentru aplicarea câmpului îndepărtat în elaborarea de senzori

Fig. 33 Distribuția intensității în câmpul îndepărtat pentru o fibră multimod din sticlă de cuarț. Profilul indicelui de refracție parabolic cu sursa de lumină de tip laser cu lungimea de undă 532 nm și distanța de la receptor de 7 cm

Sursa de lumină de proba este un laser HeNe la lungimea de undă 633 nm. O fibră optică multimod cu profilul indicelui de refracție în trepte (Figura 34), având diamterul miezului de 50 µm, a fost utilizată în calitate de element senzorial. În calitate de sursă de radiație IR a fost folosit un încălzitor electric amplasat în apropiere de fibra optică. Modificarea intensitătii sub acțiunea mecanica (IR). Imaginea speckle în câmpul îndepărtat (Figura 35) a fost înregistrată folosind un senzor de imagine CMOS HDCS – 1020 cu dimensiunea unui pixel 7,4×7,4 µm, și matrice de imagine 640×480 VGA. Viteza de cadru video este de 30 fps. .[ ]

In Figura 36 este reprezentata distribuția intensitații fascicolului de proba în câmpul îndepartat în cazul, cînd în calitate de sursa de excitare este folosita o dioda laser cu lungimea de unda λ= 532 nm. Vom menține caracterul discontinuu al distribuției intensității, care este determinat de interferența modurilor în câmpul îndepărtat al fibrei optice. Efectul de interferență al modurilor în câmpul îndepărtat este folosit la elaborarea unor senzori cu fibra optică pentru înregistrarea unor marimi fizice, cum ar fi temperatura, deformațiile mechanice, etc. [6-8].

Fig. 36. Imaginea distribuției intensitații fascicolului de proba în câmpul îndepartat în cazul, cînd în calitate de sursa de excitare este folosita o dioda laser cu lungimea de unda λ= 532 nm.

În cazul când sursa de lumină formează un fascicol necoerent distribuția intensității în câmpul îndepartat este o curbă monotonă, continuă. In Figura 36 este reprezentată distribuția intensității în câmpul îndepărtat pentru o fibră cu profilul indicelui de refracție parabolic, 125/50 μm pentru cazul, când în calitate de sursă de lumină este folosit un LED. In acest caz distribuția intensității în câmpul îndepărtat ne permite a determina apertura fibrei optice [12]. Pentru cazul reprezentat în Figura 36 apertura fibrei optice NA este egala NA = 0,28 [ ].

Distribuția intensității luminii de proba în câmpul îndepărtat al fibrei optice I(x,y) conține informația despre condițiile de propagare a luminii în fibra multimod, precum și despre amplitudinea perturbațiilor care acționează pe fibra optică. Distributia intensitati luminii în planul imaginii speckle reprezintă rezultatul interferenței constructive și distructive a modurilor de propagare în câmpul îndepărtat al fibrei optice (Figura 36). .[ ]

?????????????

Daca vom examina un mod separat la capătul de ieșire al de fibrei optice in planul receptorului CCD, atunci amplitudinea câmpului electric poate fi reprezentată prin relați pentru unda electromagnetica:

(1)

unde – reprezintă amplitudinea cîmpului electric a undei electromagnetice a luminii de probă; – faza undei electromagnetice a modului de propagare (), ω – este frecventa cîmpului electric; t – timpul; L – lungimea geometrică a distanței optice parcurse de modul de propagare; – lungimea de undă a luminii de sondare; neff – indicele de refracție efectiv pentru moda cu numarul de ordine k. .[ ]

Amplitudinea rezultantă a câmpului electric în fiecare punct din planul de pe suprafața de recepție a senzorului CCD poate fi reprezentată ca suma amplitudinilor tuturor modurilor N, care se propagă în fibra optică:

(2)

unde – este faza pentru modul de propagare cu numarul k al fibrei optice; Ak – este amplitudinea modului k al fibrei optice; N – este numărul total de moduri de propagare în miezul fibre optice. Când două moduri interferă în punctul din planul receptorului CCD intensitatea rezultantă poate fi descrisă de relația : .[ ]

, (3)

,

unde și sunt intensitățile modurilor k- și (k+1) în planul al receptorului CCD; si – reprezintă faza undei electromagnetice pentru modurile cu numarul de ordine k- și (k+1) în planul al receptorului CCD. Distribuția intensității în cîmpul îndepărtat al fibrei optice depinde de proprietățile de coerență a fascicolului laser, profilul indicelui de refracție al miezului fibrei optice, caracteristicile fibrei și condițiile externe pe suprafața fibrei optice.

, (4)

Diferența de fază dintre două moduri de propagare variază în dependență de distanța geometrică parcursă de modul de propagare, cît și in dependenta de indicele de refracție. Dat fiind că pentru majoritatea fibrelor optice multimod variația indicelui efectiv de refrație este mult mai mică decît insasi indicele de refracție, , diferența de fază crește încet odată cu creșterea număruului de ordine al modurilor de propagare.

Variația mărimilor , și este dependentă de indicele de refracție al fibrei optice, de profilul indicelui de refracție, etc. De exemplu, prin selectarea adecvata a materialului miezului/învesișului fibrei optice, cît și a geometriei și a profilului indicelui de refracție sau a dependenței indicelui de refracție vs temperatura, este posibilă mărirea sensibilității fibrei optice în raport cu perturbațiile externe. .[ ]

Algoritmul de procesare a imaginii speckle înregistrate de matricea CCD are la bază procedeul de comparare a imaginii speckle de referinta, captate în momentul de timp t = 0, cu imaginile speckle curente, captate la intervale egale de timp, ti = t1, t2, t3, ….. O ilustrare a algoritmului de procesare a imaginii speckle este reprezentată în Fig. 8. Matricea CCD captează o imagine speckle în momentul de timp t0, și această imagine este stocată în memoria bufer. Următoarele imagini speckle sunt captate în intervalul de timp t0 – tm. Fiecare valoare a imaginii curente Iin se scade pixel-cu-pixel din imagine inițială I0. Această procedură, raportata la un singur pixel, este descrisă de relația (4): , unde care reprezintă valoarea absolută a diferenței dintre semnalul a două imagini, calculat la momentul ti, pentru pixelul cu numarul de ordine n si coordonatele (x,y). (Cind vorbuim despre scvaderea imginilor speckle se are in vedere scaderea matricilor numerice, care reprezinta aceasta imagine).

Următorul pas la procesarea imaginii reprezintă sumarea tuturor valorilor pentru M-pixeli si determinarea valorii absolute Sn la momentul de timp ti: .[ ]

, (5)

unde r1 și r2 reprezintă numărul de pixeli pe coordonatele X și Y respectiv. Valoarea rezultantă a sumei este afișată pe monitorul calculatorului în calitate de semnal de ieșire al detectorului CCD la momentul de timp ti (Figura 37). Aplicarea acestui algoritm oferă posibilitatea de a vizualiza pe monitorul calculatorului în timp real diferența a doua imagini speckle. Marimea S este proportională cu amplitudinea perturbației care actionează pe suprafața fibrei optice și astfel poate fi calibrată pentru a reprezenta exact amplitudinea perturbației care actionează pe fibra optică.

Concluzii

Caracterizarea fibrelor optice prin metoda cimpului indepartat sau metoda cimpului apropiat ofera informatii despre paramterii fibrelor optice, care sunt necesare la elaborarea unor senzori biochimici pentru aplicatii in medicina. Aceasta informatie se refera la apertura fibrelor optice, distributia modurilor care se propoaga prin fibra optica, distributia indicelui de refractie, etc. Este important, ca, in special, distributia modurilor in cimpul indepratat este sensibila la conditiile la interfata dintre fibra optica si mediual exterior.

Capitolul III. Argumentarea economică a fezabilității senzorilor biomedicali cu fibra optică

Piața de detectare biomedicale reprezintă o oportunitate profitabilă și în creștere pentru senzori cu fibra optică (FOS), în special pentru volume mari de sonde de unică folosință. Cererea de dispozitive de monitorizare a pacienților este combinată cu o tendință spre o intervenție chirurgicală minim invazivă, care necesită o varietate de dispozitive medicale invazive, precum și senzori de unică folosință de o mărime mică, care pot fi încorporați în catetere și endoscoape – pentru senzori cu fibră optică. Există, de asemenea, o oportunitate incontestabilă pentru FOS ca senzori compatibili cu EMI de a monitoriza semnele vitale în timpul utilizării RMN (și a tehnicilor conexe), precum și a tratamentelor cu RF. BCC Research (Wellesley, MA) estimează că piața dispozitivelor de monitorizare a pacienților din SUA va fi în valoare de 3,6 miliarde USD în 2007 și va ajunge la 5,1 miliarde de dolari în 2013. Porțiunea de piață a senzorilor de unică folosință (și alte consumabile) a fost estimată la 2,6 miliarde USD 2007 și să ajungă la 3,4 miliarde USD în 2013. Ponderea FOS pe această piață globală este mică și se estimează că va fi de aproximativ 100 de milioane de dolari. Cu toate acestea, potențialul este extraordinar, iar senzorii biomedicali cu fibră optică oferă capabilități și caracteristici care nu pot fi obținute altfel. Cu toate acestea, costul ridicat rămâne o barieră, la fel ca și ciclurile de dezvoltare îndelungate și procesul de reglementare necesar. Designul și dezvoltarea senzorilor nu sunt banale și trebuie luată în considerare alegerea adecvată a materialelor, designul, biocompatibilitatea, siguranța pacienților și alte aspecte.[38] Cu toate acestea, există deja câteva produse de succes pe piață și mai multe.

1.2. BIOSENZORI………………………….

Senzori biologici , chimici și genetici, biochip-uri.

S-au dezvolat și se dezvoltă diferite tipuri de biochip-uri pentru cercetarea genetică, diagnoza medicală, identificarea microbilor, tratamentul bolilor, cum sunt:

Structuri de test multifuncționale pe Si pentru aplicații biomedicale:

Chip multifluidic pt detecția AND prin electroforeză capilară

Chip multifluidic pentru detecția electro-optică a răspunsului materialului biologic

Biochip-uri de tip microarray (micro-matrici) pt diagnosticarea alergiilor

Microparticule supermagnetice de siliciu nanostructurat purtatoare de oxizi de fier pentru vectorizarea și cedarea monitorizată a substanțelor active biologic, de interes terapeutic, nanocompozite- siliciu poros, biodegradabil pt aplicațiile biomedicale

Comercializarea biochip-urilor va avea impact în:

Cercetarea farmaceutică și tratamentul medical prin identificarea genelor țintă și testarea de noi medicamente și tratamente (scheme de medicație) pentru a vedea impactul genetic precum și implementarea mai rapidă în practica medicală a noilor scheme de tratament

Diagnoza medicală – prin identificarea rapidă a mutațiilor genetice care ar putea conduce la cancer , scleroza multiplă, Alzheimer

Ameliorarea mediului – utilizand biochipurile ca detectoare de înaltă specializare și specificitate pentru idetificarea poluărilor microbiale sau organice, contribuind totodată la identificarea de enzime ce ar putea fi folosite pentru detoxifierea mediului și degerarea poluanților

Agricultură – prin identificarea rapidă și riguroasă a bolilor ce afectează plantele agricole.

Biosenzori pentru chimia sangelui

Sunt biosenzori ce permit măsurarea continuă a pH-ului, oxigenului, glucozei sau a altor analiți, cum ar fi enzimele precursoare atacurilor de inimă, precum și analiți ce indică leziuni. Acești senzori se bazează pe o clasă de noi molecule care își modifică proprietățile fluorescente în funcție de concentrația analitului țintă din sânge. Aceste modificări ale proprietăților fluorescente ale moleculelor (fluorescență moleculară) pot fi măsurate ex vivo prin legături pe bază de fibră optică. In plus, legați la diferite pompe pentru eliberarea de substanțe specifice organismului, biosenzorii pentru chimia sângelui pot contribui la obținerea de organe artificiale. De exemplu, în cazul diabetului de tip I, în cazul în care biosenzorii pentru masurare a glucozei din sânge sunt legați la o pompa de insulină, ei pot contribui la obținerea unui pancreas artificial.

Biochip integrat pentru diagnoză medicală

Este destinat obținerii de dispozitive medicale ieftine fie pentru screening-ul mai multor boli, fie pentru screening-ul diverșilor agenți patogeni infecțiosi, proces esențial în diagnoza timpurie și imbunătățirea tratamentului pentru o gamă largă de boli. Un factor important în diagnostica medicală îl constituie identificarea rapidă, selectivă și precisă a substanțelor biochimice (proteine, metaboliți, acizi nucleici), specii biologice sau sisteme vii (bacterii, viruși, etc) la nivelul țesuturilor, sângelui sau a altor fluide ale organismului uman. Pentru a atinge nivelul dorit de sensibilitate în analiză și specificitate în detectare, este adesea necesară utilizarea unui biosenzor capabil să identifice și să diferențieze un numar mare de constituenți biochimici în probe complexe (materiale complexe de probă). Până acum, majoritatea biosenzorilor de ADN, sau microcipurile realizate până acum, utilizau substraturi ce conțineau micro-matrici de ADN.

La ora actual s-a implementat un detector extern, ca de exemplu un microscop confocal echipat cu cristale lichide pentru detecție. Aceste sisteme sunt orientate pentru aplicații de laborator. Actualele biochip-uri de ADN au o serie de dezavantaje cum sunt:

dimensiunea relativ mare

performanțele relativ slabe

proces de fabricație complicat

costuri de fabricație ridicate.

Sistemele înalt integrate testate în laboratoarele de cercetări reduc zgomotul de măsurare și determină totodată o creștere a semnalului datorită îmbunătățirii eficienței. Cantitățile mici de substanță de test utilizate (microlitri, nanolitri) minimizează dimensiunea probelor și cantitatea de reziduuri organice rezultate. Un alt important avantaj al acestor sisteme îl constituie capacitatea de producție la scară largă la prețuri mici utilizând tehnologii asistate de computer. Prețurile mici de producție fac de asemenea posibilă obținerea de dispozitive pe bază de biochip-uri ce pot fi utilizate pentru diagnoza medicală la domiciliu a bolilor, fără a mai fi necesară trimiterea unor probe biologice spre analiză în cadrul laboratoarelor specializate.[6]

Biochip “nas electronic”

Este o structură dezvoltataă pentru analiză, capabilă să identifice o serie de vapori ai substanțelor chimice. Dispozitivul își are aplicabilitate în:

descoperirea explozibililor ascunsi

identificarea medicamentelor și drogurilor

diagnoza medicală

controlul calității alimentelor, etc.

Cu ajutorul acestor dispozitive, combinațiile de vapori pot fi detectate și analizate în timp real prin intermediul unui dispozitiv mecanico-micro-electronic cu intrări multiple.

Dispozitivul poate detecta și identifica vapori în cantități foarte mici, având o precizie sub-nanometrică . În plus are avantajul de a putea fi fabricat ușor sub forma unei matrici de senzori cu elemente multiple pentru analiză în timp real în condiții de mediu date amestecuri multiple de substanțe cu o selectivitate crescută.[6]

Monitorizare biomedicală non-invazivă.

Utilizarea spectroscopiei în infrarosu apropiat și a metodelor chemo-metrice au determinat posibilitatea de a masura diferiți analiți din constituția sângelui precum glucoza, ureea alcoolul, pH-ul, etc prin metode non-invazive și cu o acuratețe clinica deosebită. S-au studiat metode de analiză non-invazivă a glucozei în cazul bolnavilor de diabet, monitorizarea noninvazivă a gazelor din sânge pentru bolnavii aflați în stări critice, monitorizarea oxigenului din sânge pentru feții umani în cadrul activităților zilnice și nașterii și detreminarea în vivo sau în vitro a celulelor canceroase. Spre deosebire de metodele actuale de analiză, care sunt invazive și necesită condiții de laborator, în cadrul bolnavilor de diabet de exemplu, metodele de monitorizare neinvazivă pot asigura o măsurare permanentă a glucozei din sânge fără inconvenientul durerilor provocate de înțepaturi, furnizând rezultate mult mai consisitente. Similar, măsurarea continuă a gazelor din sângele arterial reprezintă o cerință vitală pentru managementul bolilor cardio-pulmonare sau pentru bolnavii aflați în stări critice. Metodele actuale pentru monitorizarea gazelor din sângele arterial necesită condiții de spitalizare, sunt scumpe, dureroase și pot genera potențiale infecții. Aceste măsuratori sunt totodată printre cele mai cerute teste din unitățile de terapie intensivă din spitale. În plus, tehnicile actuale de măsurare nu oferă rezultate în timp real, în cele mai multe cazuri probele de sânge necesitand transportul la laborator pt analiză, interval de timp în care starea pacientului se poate modifica.

Măsurătorile non-invazive oferă medicului, în afara acurateței în măsurare și posibilitatea feed-beack-ului în timp real pentru a gestiona tratamentul pacientului la patul acestuia.

Cap. IV. Tehnica securitații în timpul lucrărilor experimentale în cadrul laboratorului de optoelectronică al IFA AȘM

Laserul în laborator cu profil optoelectronic este unul din cele mai necesare și răspândite instrumente de experimentare cu ghiduri planare sau fibre optice pentru sisteme de transmitere sau prelucrare a informației optice. Laserii în laborator sunt solicitați atât de stagiari cât și de ingineri experimentați, puterea laserilor utilizați fiind de la redusă la modele experimentale de putere înaltă. Un spectru larg de lasere influențează dăunator asupra persoanei ce-l utilizează, fapt ce trebuie luat în considerație pentru protecția adecvată în timpul utilizării acestora. Măsurile de protecție depind de clasificarea laserilor, characteristicile de operare, circumstanțele în care sunt utilizate, abilitatea și experiența celor care le utilizează și care au acces la ele.

4.1 Evaluarea riscului și măsurile de securitate

La evaluarea nivelului de risc laser, în scopul asigurării protecției personalului lucrător, se va lua în considerare clasificarea laserelor, conform normelor internaționale recunoscute pe plan intern și parametrii emisiei lor:

a) mediul activ;

b) lungimea de undă a radiației;

c) puterea și densitatea maximă de putere la ieșire;

d) divergența fascicolului (în cazul fascicolelor cu secțiune necirculară divergențele pe cele două axe);

e) forma și dimensiunea fascicolului la ieșire;

f) existența eventuală a unor sisteme de focalizare și distanța focală;

Notă: Prezentele norme au în vedere clasificarea tehnică a laserilor în clasele I-IV, iar parametrii de emisie sunt prezentați in Normele de Medicina Muncii.

g) distanța de la sursa laser la punctul de lucru;

h) pentru laserii în impulsuri;

– forma și durata impulsului;

– energia unui impuls;

– frecvența de repetiție a impulsurilor;

– caracteristicile trenurilor de impulsuri;

i) indicații referitoare la dispozitivele de protecție și mijloacele de protecție prevăzute pentru postul de lucru.

Măsurile de securitate adoptate la utilizarea instalațiilor laser diferă, în funcție de caracteristicile laserului, de tipul și condițiile de utilizare ale acestora. Pentru instalațiile laser din clasa 1 – 2 nu se prevăd cerințe specifice de securitate în afara de instruirea corectă a personalului privind interzicerea dirijării fascicolului laser spre alte persoane și utilizarea mijloacelor individuale de protecție prevăzute. Pentru instalațiile laser din clasele 3 – 4, unde există riscurile de afectare a organului vizual, a pielii, precum și a țesuturilor interne, se prevăd cerințe specifice de securitate, în funcție de modul de utilizare și condițiile concrete în care se desfășoară activități cu laser.

În cazul în care tipul constructiv al laserului nu face posibilă realizarea unor sisteme tehnice de izolare, ecranare sau a altor măsuri generale de protecție se vor asigura mijloacele individuale de protecție împotriva radiației, zgomotului sau a altor noxe degajate în procesul de prelucrare.

4.2 Cerințe pentru încăperi destinate activităților cu laser.

Activitățile la instalațiile laser se desfășoară în încăperi special amenajate și destinate. Această prevederea nu este necesară în cazul instalațiilor laser din clasa 1 – 2 (sub 1 mW), utilizate pentru reglaje de instalații industriale (aliniamente, tuneluri, interferometrie, aplicații medicale, științifice). Amenajarea încaperilor în care se desfășoară activități cu laser se va face astfel încât să se evite reflexia sau difuzia accidentală a radiației – în special în cazul laserilor din clasele 3 – 4, cu emisie în ultraviolet, vizibil sau infraroșu. Pereții, tavanul și pardoseala vor fi acoperite cu materiale care nu reflectă lumina. Zugrăvelile și vopsitoriile pentru finisare se vor realiza cu materiale absorbante de lumină. Mobilierul și clanțele ușilor nu vor avea suprafețe netede și lucioase. În incăperile în care se desfășoară activități cu laseri din clasele 3 – 4 nu se vor păstra/depozita materiale ușor inflamabile. Deschiderile încăperilor spre exterior nu vor fi pe axul radiației directe sau reflectate.

În cazul în care o singură încăpere este destinată funcționarii mai multor instalații laser se va realiza, după caz, separarea spațiilor dintre acestea prin utilizarea de paravane sau pereți despărțitori.

Paravanele sau pereții despărțitori se vor executa din materiale rezistente la foc, la temperaturi înalte, care să nu degaje noxe chimice și să prezinte un coeficient de reflexie cât mai mic. În cazul în care nu este necesară separarea prin pereți sau paravane despărțitoare, instalațiile laser vor fi orientate astfel încât să se excludă posibilitatea direcționării radiației laser de la o instalație la alta.

Pentru amplasarea corectă a instalațiilor laser este necesară cunoașterea parcursului (traiectoriei) fasicolului laser deschis, a reflexiilor și difuziilor normale și accidentale ale acestuia. Determinarea parcursului fascicolului laser se va realiza numai cu mijloace specifice: hârtie fluorescentă pentru ultraviolete și infraroșu apropiat, folii de material plastic etc.

În zona în care se efectuează activități cu laser se interzice întroducerea în calea fascicolului laser a unor elemente optice reflectante sau difuzante, precum și a unor materiale ușor inflamabile. Ușile încăperilor în care se desfășoară activități cu instalații laser vor fi inscripționate cu indicatoare de avertizare asupra pericolului radiației laser. Orice instalație laser va fi dotată cu indicatoare de avertizare asupra pericolului de radiație, care vor fi plasate sub forma de etichetă în locuri vizibile. Indicatoarele de avertizare vor conține informații referitoare la: clasa laserului, puterea de ieșire, lungimea de undă de lucru, apertura de ieșire a radiației laser.

Mijloacele individuale pentru protecția ochilor (ochelari antilaser) trebuie să îndeplinească cerințele esențiale de securitate și să fie avizate și certificate din punctul de vedere al securității muncii pentru lucrul cu laserul, în funcție de caracteristicile acestuia.Filtrele utilizate vor fi absorbante la lungimea de undă a radiaței laser și vor trebui să fie transparente în domeniul vizibil. Filtrele trebuie să fie rezistente și să nu se distrugă la expunerea și iluminarea energetică laser. Grosimea filtrelor ochelarilor va fi determinată de nivelul de expunere și iluminare energetică laser și de factorul de atenuare a radiației laser în materialul din care sunt confecționate. Factorul de transmisie spectral al filtrelor va fi astfel ales încât iluminarea energetică și expunerea energetică a ochiului să fie sub limitele maxime admisibile pentru fiecare laser, stabilite prin standardele sau regulile tehnice internaționale recunoscute pe plan intern. Filtrele trebuie să fie stabile la radiații ultraviolete, căldură și să fie incombustibile. Densitatea de putere va fi în limitele stabilite prin standardele sau regulile tehnice internaționale recunoscute pe plan intern. Construcția ochelarilor trebuie să împiedice penetrarea laterală a luminii și să ofere confortul necesar pentru lucru. Ochelarii trebuie să fie însoțiți de o etichetă cu indicația densității optice și lungimii de undă. Folosirea ochelarilor este obligatorie la lucrul cu laserii din clasele 3b și 4, cu excepția situațiilor în care mijloacele de protecție exclud posibilitatea depășirii expunerii maxime admise.

În cazul în care există posibilitatea ca în zona de lucru să se depașească nivelul maxim de expunere pentru piele, atunci personalul implicat va utiliza, pe lânga ochelari de protecție adecvați, mănusi de protecție și îmbrăcăminte adecvată. Mijloacele individuale pentru protecția pielii (halat, salopetă, mănuși) se vor confecționa din materiale termorezistente care nu se topesc sub acțiunea căldurii și nu propagă flacara. Culoarea acestor mijloace de protecție va fi închisă, cu suprafața mată, pentru reducerea la minimum a coeficientului de reflexie.

La efectuarea activităților cu instalații laser de tip deschis se vor adopta soluții tehnice de ecranare provizorie a fascicolului deschis al radiației și scoatere a pupitrului de comandă din zona periculoasă. Zona laser periculoasă va fi marcată și izolată corespunzator. Materialele din care se confecționează ecranele împotriva radiației laser vor îndeplini următoarele condiții:

a) vor fi absorbante pe lungimea de undă a radiației laser;

b) vor fi rezistente la foc și cu punct de topire ridicat;

c) nu vor degaja noxe chimice;

d) vor fi de culoare închisă și cu suprafața mată, pentru reducerea coeficientului de reflexie în cazul radiațiilor vizibile și invizibile;

e) pentru radiațiile vizibile pot fi utilizate, după caz, ecrane transparente care să permită reperarea fascicolului de laser și vizualizarea operațiilor de prelucrare.

În cazul în care, tipul constructiv al instalației laser nu permite practicarea unor soluții tehnice de ecranare a zonelor periculoase, iar la instalațiile respective se lucrează cu sisteme de focalizare directă, pe lângă mijloacele individuale adecvate de protecție se va asigura și trimiterea periodică a personalului de deservire a instalațiilor laser pentru efectuarea consultațiilor și tratamentelor oftalmologice necesare. Pentru instalațiile laser de mare putere se vor adopta soluții tehnice de implementare a unor dispozitive de avertizare asupra întrării personalului în zona periculoasă, în cazul în care acestea nu au fost prevăzute prin proiectare.

Pentru lucrul la instalațiile laser se interzice repartizarea femeilor gravide, precum și a persoanelor care prezintă afecțiuni ale ochiului sau pielii, constatate la controlul medical și care sunt considerate contraindicate pentru desfășurarea activității în condiții de securitate. Controlul medical periodic este obligatoriu și se va desfășura potrivit prevederilor Ministerului Sănătății, Muncii și Protecției Sociale. Lucrul la instalațiile laser este permis numai lucrătorilor special instruiți și autorizați. În cadrul procesului de instruire a lucrătorilor în domeniul securității muncii se vor transmite toate informațiile referitoare la riscurile la care sunt expuși, părțile periculoase ale instalațiilor, dispozitivele de protecție și modul de intervenție în caz de avarii sau accidente.

În încăperile în care se desfășoara activități cu instalații laser se vor afișa la loc vizibil instrucțiuni specifice de securitate a muncii.

Accesul în încăperile în care se desfășoara activități cu instalații laser este permis numai persoanelor autorizate.

Personalul de deservire a instalațiilor laser nu va purta în timpul lucrului obiecte care pot reflecta radiația directă: ceasuri, nasturi de metal, catarame, bijuterii etc. Reglarea instalației laser se va realiza astfel încât să se evite emisiile accidentale de radiații. Manipularea pieselor, manevrele la instalații, reglajele necesare și alte intervenții la instalațiile laser se vor efectua numai de către personalul autorizat cu respectarea strictă a instrucțiunilor tehnologice pentru a nu se produce modificarea parametrilor emisiei, propagarea radiației, reflexiile intempestive etc. La efectuarea operațiilor de aliniere și reglare care preced emisiile laser puternice se pot folosi atenuatoare sau laseri de mică putere, coaxiali cu laserul principal. La instalațiile laser de tip închis (protejat) comanda de declanșare a fascicolului laser se va da numai după obturarea dispozitivului optic de vizare și dupa asigurarea etanșării incintei de lucru.

În cazul în care se lucrează cu incinte deschise, comanda de declanșare a fascicolului laser se va da numai după echiparea corespunzătoare a operatorului laser cu mijloacele individuale de protecție prevăzute și numai după asigurarea, că în incăpere nu se află alte persoane neprotejate.

Se interzice a se privi în radiația laser și a se alinia laserul cu ochiul liber, privind axial sau paraaxial în cavitate.

4.3 Metode administrative de protecția împotriva radiațiilor laser

Nivelul normal de radiație laser nu trebue să producă diverse efecte negative asupra sănătății omului. Aranjamentele pentru utilizarea laserilor ar trebui sa garanteze că nimeni nu este expus radiației laser care depașeșce acest nivel. Acest obiectiv poate fi atins prin intermediul a trei tipuri de control departamental sau instituțional al siguranței exploatării lor:

controale tehnice;

controale administrative;

prezența și folosirea echipamentului individual de protecție.

Controlul tehnic constă în verificarea, identificarea, amplificarea de mechanisme de protecție care pot fi construite ori complementare echipamentului pentru a reduce expunerea.

Controlul administrativ constă în evaluarea periodică a cunoașterii și respectării cerințelor tehnicii securității în lucru cu lasere.

Ambele controale, tehnic și administrativ trebuie să verifice prezența și folosirea adecvată a echipamentului de protecție, precum și asigurarea verificării lor anuale, sau cu altă periodicitate, conform cerințelor normative.

Referitor la tehnica securității cu fascicolul laser menționăm responsabilitatea conducătorului din laborator, ce trebuie să asigure că persoanele care nu cunosc laserele și pericolele lor sa nu aibă permisiunea să le folosească. În acest scop, trebuie luate măsuri pentru furnizarea de informații și instruire corespunzătoare tuturor persoanelor interesate, cu înregistrarea examinării în registre special organizate în laborator.

Toate laserele și sistemele laser utilizate trebuie să corespundă cerințelor din indicația tehnică a producătorului. Echipamentul de verificare de asemenea trebuie să corespundă celor recomandate de producător. Orice sistem laser sau laser nou trebuie să respecte standardele. Aceasta înseamnă că, atunci când se planifică o nouă instalație, toate elementele de siguranță trebuie să fie luate în considerare și evaluate în mod corespunzător. Laboratorul trebuie să fie dotat respectiv cu echipamente de măsurări a puterii laserilor, precum și spectrului emis de unde optice.

4.4 Instrucțiuni de comportament sigur de lucru în laborator.

Operați cu laserele în zone separate de alte activități de lucru, limitând astfel numărul persoanelor care au acces la zonă și instruite respectiv.

Păstrați toate căile fasciculului cât mai scurte posibil cu o reflexie optică minimă și terminare a fasciculului într-o oprire adecvată după reflexie.

Fixați laserul și toate componentele în poziție sigură.

Realizați procedurile de aliniere și alte ajustări și modificări, care pot genera căi sau raze neașteptate ale fasciculului. Atunci când este posibil, pentru astfel de operațiuni ar trebui să se utilizeze surse de lumină convenționale sau să se reducă la maximum intensitatea fasciculului cât mai mult posibil prin reglarea alimentării cu energie electrică sau prin utilizarea unor filtre de atenuare sau polarizare.

Eliminați șansa de reflexie rătăcită prin alegerea componentelor optice acoperite care nu vor fi ciupite sau spulberate de fasciculul laser. Îndepărtați echipamentul inutil din zona laserului și evitați să purtați asupra sa obiecte reflectorizante.

Evitați ca laserele conectate să rămână nesupravegheate.

Asigurați-vă că laserele cu impulsuri nu pot să de declanșeze spontan.

Asigurați-vă că toate mecanismele de blocare mecanică sau electrică furnizate sunt de un design aprobat și adecvat pentru siguranță și că sunt instalate și utilizate corespunzător.

Asigurați-vă că comenzile la cheie sunt utilizate corect. Cheile trebuie să fie eliminate când laserul nu este utilizat și păstrat într-un loc sigur.

Asigurați-vă că orice echipament de protecție personală furnizat a fost aprobat și ales corespunzător pentru sarcină. Ochelarii de protecție purtați nu trebuie să împiedice utilizatorul să vadă lumini de avertizare care au fost instalate pentru îndrumarea acestuia.

Asigurați-vă că toate substanțele chimice toxice sau altfel periculoase utilizate în laserul laser sau echipamentul asociat sunt depozitate și eliminate în siguranță.

4.5 Protecție de șocurile secundare asociate cu lasere

Există un număr de pericole indirecte atribuite utilizării laserelor, care trebuie luate în considerare întotdeauna când se iau în considerare aspectele legate de siguranța exploatării. Decesele istorice cauzate de lucru cu laser au fost de fapt în urma șocurilor electrice dar nu iradierii optice.

Pericolele indirecte asociate laserilor includ:

Șocul electric direct de la echipament, în special surse de tensiune înaltă și elemente capacitative utilizate cu laserele pulsate.

Șocul electric indirect de la sursa de tensiune spre echipament auxiliar folosit cu lasere.

Surse de apa ce se folosește la răcirea circuitelor.

Șocul mecanic de la motoare, pompe ect.

Surse convenționate de lumină ce se folosesc la încărcarea laserelor.

Chimicate toxice ce se folosesc în lasere sau în echipamente de același gen.

Produse toxice ce rezultă din interacțiunea laser cu mediul.

Șocul de explozie sau implozie în surse electrice, laser și echipament de același gen.

Focul.

Coloane criogene ce conțin azot, oxygen și heliu lichefiate.

Formarea ozonului și a oxizilor de azot la interacția fascicolului cu mediul.

Raze X ce pot fi generate de tensiunea înaltă redresoare ori lasere.

Măsurile de protecție în lucrul cu lasere sunt dictate de clasificarea laserilor conform Tab. 2

Tabelul.2 Clasificarea laserilor.

4.6 Accidentele din laborator.

Sunt adesea rezultatul neatenției sau ignoranței. Acordați o atenție constantă propriilor acțiuni și acțiunilor vecinilor tăi. Regulile de securitate descrise vor fi inutile, dacă nu planificați fiecare experiment, gândiți-vă la fiecare operațiune și gândiți-vă prin consecințele fiecărei proceduri înaintea ca să o executați.

Următoarele accidente apar adesea simultan: incendiu, explozie, impolzie, arsuri chimice și termice, tăieturi din tuburi rupte și termometre, absorbția de substanțe toxice (dar necorosive) prin piele și prin inhalare, fumuri toxice. Modul apariției acestor tipuri de accidente sunt descrise în mod general în cele ce urmează.

Activitatea în laborator. Puteți lucra în laboratoarele în mod regulat,
conform orarului programat pe experimente, autorizate de către supervizor autorizat, asistent sau membru al colectivului nominalizat. Lucrul de sinestătător în laborator este strict interzis.

Echipamente de siguranță. Este responsabilitatea personală să cunoașteți locația și funcționarea stingătoarelor de foc, baia, păturilor și oricărui alt echipament de siguranță existente în laborator

Protecția ochilor. La studierea și prelucrarea componentelor chimici este strict oblicat să asiguram protecția ochilor cu ochelari speciali de protecție. La fel când se lucreaza cu instalațiile amenajate cu laser cu emisia în spectrul înfraroșu, roșu, albastru, verde.

Imbracaminte. Părul lung strîns adecvat și îmbrăcămintea trebuie să fie închisă la bumbi în timpul lucrului în laborator. Pantofii sunt obligatorii; sunt recomandate șorțurile. Sandale (sau pantofi cu deschizătura deschisă) și pantaloni scurți sau fuste scurte sunt nepotrivite activității în laborator.

Focul. Flamele deschise trebuie să fie folosite numai cu permisiunea în locații specificate. O regula de lucru că apa sa fie singurul lichid neinflamabil cu care vă puteți confrunta. Este responsabilitatea personală să știți unde sunt cele mai apropiate cabină de duș și stingătoare de incendiu și cum să le folosiți.

Explozie. Nu încălzi niciodată un sistem închis. Înainte de a începe o distilare sau o reacție chimică, asigurați-vă că sistemul este ventilat. Rezultatul unei explozii este zgomotul de sticlă și chimicatele spumoase.

Arsuri chimice și termice. Multe substanțe chimice neorganice (cum ar fi acizii și alcalinele) sunt corozive pentru piele și ochi. De asemenea, multe substanțe chimice organice (cum ar fi halogenurile acide, fenolii etc.) sunt corozive și adesea toxice. Dacă sunt vărsate pe o masă, în glugă sau pe un raft, curățați-le înainte de a admite scurgerea ulterioară.

Bucăți. Cel mai obișnuit accident de laborator este tăierea primită în timp ce încercați forțați tubul de sticlă cu un dop de cauciuc sau tubulatură din cauciuc pe o tijă agitată; termometru sau laterala unui balon de filtrare. Lubrifiați opritorul și folosiți ușor presiunea rotativă pe partea de sticlă. Nervii și tendoanele rupte sunt leziuni obișnuite cauzate de manipularea necorespunzătoare a tuburilor de sticlă și a termometrelor. Întotdeauna trageți mai degrabă decât să apăsați.

Rapoartele privind accidentele. Toate accidentele (inclusiv contactul cu substanțele chimice, orice tăieturi, arsuri sau inhalarea fumului) trebuie să fie raportată imediat supervizorului. Orice tratament dincolo de primul ajutor de urgență vor fi adresate serviciilor medicale specializate prin telefonul comun 112.

4.7 Pericolele electrocutării

Întrucât tensiunea de lucru pentru anumite lucrări practice este de ~220V și frecvența 50 Hz, se impune respectarea regulilor în vigoare referitoare la lucrul în instalații sub tensiune. Nu se admite efectuarea lucrărilor de laborator de către studenți decât după efectuarea instructajului și verificarea cunoștințelor în protecția muncii și securitatea electrică. Confirmare a cunoștințelor va fi înregistrarea respectivă, contra semnături, în registrul laboratorului. Electrocutarea reprezintă un accident fatal datorat curentului electric, ce străbate corpul și acționează asupra centrilor nervoși și a mușchilor, provocând electrotraumatisme, ce pot avea consecințe foarte grave. Accidentele electrice au un caracter periculos, pentru că tensiunile electrice nu pot fi sesizate de organele de simt ale omului și pentru că se produc instantaneu, înainte de a fi posibilă orice reacție reflexă de apărare. Corpul uman se opune trecerii curentului electric (în cazul în care pielea este intactă și uscată) cu o rezistență electrică de (40 – 100) kΩ, dar poate scădea sub valoarea de 1 kΩ, în prezența unor factori precum:

-umiditatea pielii;

-suprafața de contact între piele și materialul sub tensiune;

-presiunea materialului sub tensiune asupra pielii;

-valoarea tensiunii.

Se consideră nepericulos:

-curentul continuu cu intensitatea de până la (40-50) mA.

-curentul alternativ (f = 50 ÷ 60 Hz) cu intensitatea de până la 10 mA.

Cauzele accidentelor electrice sunt:

-atingerea întâmplătoare sau apropierea primejdioasă de instalații aflate sub tensiune;

-atingerea unor pârți metalice care în mod normal sunt fără tensiune, dar care pot căpăta tensiune ca urmare a unor defectări de izolație;

-efectuarea unor manipulări greșite în schemele electrice

Condiții în care se produc electrocutările

Curentul electric străbate corpul uman când are două puncte de contact, cu mase sau conductoare electrice aflate la potențiale diferite, prin care se poate închide un circuit.

Electrocutarea se poate produce în mai multe moduri:

-atingere directă: atingerea unui element neizolat din circuitele de lucru;

-atingere indirectă: atingerea unui element metalic aflat accidental sub tensiune, simultan cu atingerea unui obiect bun conductor de electricitate, aflat în contact cu pământul;

-tensiunea de pas: se produce la atingerea simultană a două puncte de pe sol aflate la potențiale diferite.

Efectele electrocutării sunt cu atât mai periculoase cu cât durata de trecere a curentului prin corp este mai mare și depind mult de traseul urmat de curent prin corpul omenesc.

Limitarea valorii curentului de electrocutare se face de către rezistența de contact a pielii la locul de intrare și de ieșire a curentului precum și de rezistența internă a organismului. Totalul acestor rezistențe are valori cuprinse între 600 și 100 k, valori care depind de:

tensiunea aplicată;

grosimea epidermei;

starea suprafeței de contact, e.g. pielea umedă, murdară sau rănită determină o rezistență mică, ordinul de mărime fiind (600-1000) .

Ținând seama de valoarea minimă a rezistenței de izolație a corpului omenesc, rezultă următoarele valori ale tensiunilor periculoase:

U 12V pentru încăperi cu condiții inadecuate de lucru (cu praf, umezeală și căldură, pardoseală cu pământ sau ciment);

U 36V pentru încăperi cu condiții de lucru mai bune;

U 65V pentru încăperi nepericuloase.

Bibliografie.

1. www.strategyr.com

2. L.Weisenbach, BCC Research Report “Fiber Optic Sensors”, November 2005

3. J.P.Dakin, Optical fibre sensors – principles and applications, Fibre Optics’83, SPIE Vol. 374, p. 172

4. Assessment of Fiber Optic Pressure Sensors, Date published: April 1995, Prepared by H.M.Hashemian, C.L.Black, J.P.Farmer, Prepared for Division of Systems Technology Office of Nuclear Regulatory Research, U.S. Nuclear Regulatory Commission, Washington, DC, April 1995

5. Волоконно-отические датчики, Перевод Г.Н.Горбунова, Энергоатолмиздат, 1991

6. J.D.Muhs, Fiber Optic Sensors: Providing Cost-Effective Solutions to Industry Needs, Oak Ridge National Laboratory, November 2002

7. High-Temperature High Bandwidth Fiber-Optic MEMS Pressure Sensor Technology for Turbine Engine Component, Testing Wade Pulliam Patrick Russler, Luna Innovations, Inc. Applied Research Associates, Inc., Blacksburg, VA Raleigh, NC, 2005.

8. P.Ferdinand, Y.Denayrolles, C.Mersier, J.Plantey, N.Recrosio, M.Pays and D.Vielpeau, The potential for distributed sensors and optical fiber sensor networks in the electric power industry, Meas. Sci. Technol., (1990) p. 908

9. E.Y.Shu, L.J.Petrucco, W.Daum, Fiber optic sensors for gas turbine control, Patent USA # 20050180699, 08/18/05

10. H.Kuwahara, Fiber optic Sensing Devices, Mitsubishi Electric Advance, Vol. 31, 1985, p. 18-20

11. T.G.Giallorenzi, J.B.Bucaro, A.Dandridge, J.H.Cole, Optical Fiber Sensors challenge the competition, IEEE Spectrum, Sept. 1986, p.44

12. A.D.Kersey, A.Dandrisge, Applications of fiber optic sensors, Electron.Compon.Houston, Tex., May 1989, Proc., New-York, 1989. p.472-478

13. D.Donlagic, Fiber Optic Sensors: An Introduction and Overview, University of Maribor, Facvulty of Electrical Engineering and Compur Science, Maribor, 2000.

14. J.N.Fields, Attenuation of a parabolic index fiber with pweriodic bends, Appl. Phys. Lett., 36(10), 1980, p. 799.

15. Applied Optics, Vol. 20, No 3, p. 445-479.

16. A.M.Andriesh, I.P.Culeac, V.G.Abaskin, et al. „Fiber optic displacement sensor based onm clads modes detection”, Proc. 17th Congres of the Intern. Comission for Optics, (ICO XVII’96), Optics for Sciencies and New Technology”, 19-23 August, 1996. Taejon, Koreya

17. I.Culeac, Optical Devices Based on Fibre Samples, In: “Contributions to Non-Crystalline Semicond. Physics and Optoelectronics. Ed. A.Buzdugan and M.Iovu, Chisinau, 2003, p. 227

18. W.B.Spillman, and D.H.McMahon, Schlieren multimode fiber optic hydrophone, Appl. Phys. Lett. 37 (2) p.145

19. Fabin Shen, UV-Induced Intrinsic Fabry-Perot Interferometric Fiber Sensors and Their Multiplexing for Quasi-Distributed Temperature and Strain Sensing, Dissertation, Virginia Polytechnic Institute, USA June 1, 2006, Blacksburg, Virginia

20. R.M.Measures, Structural Monitoring with Fiber Optic Technology, Academic Press, 2000

21. Optical Sensor Technologies, Enlighten, 2005, Vol. 9, Issue 3

22. J.D.Muhs, Fiber Optioc Sensors. Providing Cost-Effective Solutions to Industry Needs, Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energuy, 2002

23. C.K.Ho, A.Robinson, D.R.Miller and M.J.Davis, Overview of Sensors and Needs for Environmental Monitoring, Sensors, 2005, 5, 4-37

24. www.smartfibres.com

25. N.Lagakos, T.Litovitz, P.Macedo, R.Mohr and R.Melster, Multimode optical fiber displacement sensor”, Applied Optics, Vol. 20(2), p. 167-168, 1981

26. Fiber Optic Interferometrer Fabry-Perot, http://physics.nad.ru

27. Fiber Optic sensing Technology for Measuring in-Cylinder Pressure in Automotive Engines, Dissertation, Taehan Bae, Texas A&M University , August 2006

28. K.Totsu, Y.Haga, M. Esashi, Ultra miniature fiber optic pressure sensor using light light literferometry, J.Micromech. Microeng. Vol. 15, p. 71-75

29. H.Xiao, J.Deng, G.Pickrell, R.G.May and A.Wang, Single crystal Sapphire Fiber-Based Strain Sensor for High-Temperature applications, J.Lightwave Technology, 21, 2276 (2003)

30. W.Peng, G.R.Pickrell and A.Wang, High-temperature fiber optic cubic-zirconia pressure sensor, Optical Engineering, December 2005, V.44, issue 12, 124402

31. www.fiso.com

32. E.Udd, Emergence of Fiber Optic Sensor Technology, in Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, E. Udd, ed.: John Wiley & Sons, Inc.: New York (1991).

33. E. Udd, "Overview of Fiber Optic Applications to Smart Structures," Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Plenum Press (1988).
34. B. Culshaw and J. Dakin, Eds, Optical Fiber Sensors: Systems and Applications, Vol. II, Artech House (1989).

35. J.I. Peterson and G.G. Vurek, "Fiber-Optic sensors for biomedical applications." Science, 224, 4645, 123-127 (1984).

36. A.G. Mignani and F. Baldini, "Biomedical sensors using optical fibres," Rep. Prog. Phys., 59, 1-28 (1996).

37. F. Baldini, A. Giannetti, A.A. Mencaglia, and C. Trono, "Fiber Optic sensors for Biomedical Applications." Curr. Anal. Chem., 4, 378-390 (2008).
38. E. Pinet and C. Hamel, "True challenges of disposable optical fiber sensors for clinical environment," Third European Workshop on Optical Fibre Sensors, EWOFS 2007, Naples, Italy.

39. Dr. Ing. Cristina – Maria Dabu. Cercetarea în domeniul ingineriei biomedicale și progresul în medicină,

https://www.google.com/search?q=senzori+fibra+optica+in+biomedicina&ie=utf-8&oe=utf-8&client=firefox-b

[40]. D. Marcuse, Light Transmission Optics, (New York, Van Nostrand Reinhold, 1972).

[41.] J.P.Dakin, Optical fibre sensors – principles and applications, Fibre Optics’83, SPIE Vol. 374, p. 172

[42]. Alexis Mendez, Medical applications of fiber-optics: Optical fiber sees growth as medical sensors, https://www.laserfocusworld.com/articles/2011/01/medical-applications-of-fiber-optics-optical-fiber-sees-growth-as-medical-sensors.html

[43]. H. Kuwahara, Fiber optic Sensing Devices, Mitsubishi Electric Advance, Vol. 31, 1985, p. 18-20

[44]. T.G. Giallorenzi, J.B.Bucaro, A. Dandridge, J.H. Cole, Optical Fiber Sensors challenge the competition, IEEE Spectrum, Sept. 1986, p.44

[45]. D.R.Thevenot, K.Toth, R.A. Durst, G.S.Wilson, Biosens. Bioelectron. 16(2001) 121-131.

[46]. Culeac, I., Nistor, I., Iovu, M., Andriesh, A., Fiber optic interferometric method for registration of IR radiation, A. Vaseashta and N. Enake, (Eds.), Technological Innovations in Sensing and Detection of Chemical, Radiological, Nuclear Threats and Ecological Terrorism, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology, DOI 1007/978-94-2488-42, Springer Science-Business Media B.V. 2012, p. 379-388.

[47]. Culeac Ion, Nistor Iurie, Iovu Mihail, Andries Andrei, Buzdugan Artur, Petrenco Piotr, Ciornea Viorel, Senzor interferometric cu fibră optică pentru înregistrarea radiației ionizante, Brevet de inventie MD 412 (13)Y, (51) Int. Cl.: G02B 6/28 (2006.01); G01T 1/20 (2006.01); G01T 1/00 (2006.01); (21) s; 011 0013; (22) 2011.01.13

[48]. María Dolores Marazuela · María Cruz Moreno-Bondi, Fiber-optic biosensors – an overview, Anal Bioanal Chem (2002) 372 :664–682, DOI 10.1007/s00216-002-1235-9

[49]. Aga D, Thurman EM (1997) (eds) Environmental immunoassays: alternative techniques for soil and water analysis. In: Immunochemical technology for environmental applications, Vol 657. American Chemical Society

[50]. Wolfbeis OS (1991) (ed) Fiber optic chemical sensors and biosensors, vols 1 and 2. CRC Press, Boca Raton, Florida

[51]. Ernest M. Kim, Douglas L. Franzen, Measurement of Far-Field and Near-Field Radiation Patterns from Optical Fibers, 1032, 1981. U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE, National Bureau of Standards,Boulder, Colorado 80303.

[52]. F.M. Sladen, D.N.Payne, M.J.Adams, Determination of optical fiber refractive index profiles ny near-field technique. Applied Physics Letters, Vol. 28, No 5, 1976

[53]. Proceedings of the First European Conference on Optical Fiber Communication, organized by the Electronics Division of the Institute of Electrical Engineers. 16-18 September, 1975, London, UK.

[54]. S.M. Borisov and O.S. Wolfbeis, Chem. Rev. 108(2008)423-461.

[55]. Dostálek J., Homola J., Miler M. Rich information format surface plasmon resonance biosensor based on array of diffraction gratings)/ Sens. Actuators B. – 2005; 107: 154–161.]

[56]. Набиев И.Р., Ефремов Р.Г., Чуманов Г.Д. Гигантское комбинационное рассеяние и его применение к изучению биологических молекул // УФН. – 1988; 154: 459.

[57]. Optical sensors based on surface plasmon resonance for high-sensitive biochemical analysis, D.A. Mamichev, I.A. Kuznetsov, N.Е. Maslova, M.L. Zanaveskin, Moleculearnaia meditina, 6, 2012.

[58]. M.Stanciu, A.Stanciu, Biosenzor cu fibre optice pentru măsurarea concentrației antigenului specific prostatic, ATEE 2004. ELEC

[59]. 425 lab 2.doc