Современные методы газового анализа всё чаще ориентированы на использование оптических принципов регистрации, позволяющих снизить энергопотребление приборов и увеличить срок их службы. Особое внимание уделяется люминесцентным методам, основанным на способности определённых химических соединений изменять характеристики свечения при взаимодействии с молекулами кислорода.
В отличие от электрохимических сенсоров, люминесцентные чувствительные элементы не подвержены деградации электролита и обеспечивают более стабильные измерительные параметры при длительной эксплуатации.
Принцип работы люминесцентного датчика
Принцип работы люминесцентного датчика заключается в замере излучения, создаваемого люминофором под действием возбуждающего излучения.
Чувствительный элемент газоанализатора представляющий собой прозрачное стекло с нанесённым на него люминофором и матрицей. Облучается чувствительный элемент светодиодом синего цвета с длиной волны ~450–500 нм для создания явления флуоресценции. Для измерения интенсивности свечения люминофора используется светодиод.
Люминесценция как оптическое явление
Явление люминесценции представляет собой возбуждение свечения вещества путём сообщения его атомам и молекулам некоторого количества энергии с последующим переходом вещества в новое энергетическое состояние называемое возбуждённым. Возбуждённое состояние атом принимает путём поглощения периферическими электронами с сопровождающимся изменением области пространства вокруг ядра атома, описывающей наиболее вероятное нахождение электрона на атомной орбитали. Самым явным признаком люминесценции является испусканием определённым веществом (люминофором) электромагнитного излучения без нагрева. Поэтому явление люминесценции иначе называется холодным свечением. Люминесценция делится на два класса. Первый — по природе возбуждающего импульса:
— Катодолюминесценция — свечение является результатом облучения электронами, получившими высокую скорость благодаря действию электрического поля;
— Электролюминесценция — излучение света при помещении люминофора в электрическое поле;
— Радиолюминесценция — создание оптического излучения при возбуждении продуктами радиоактивного распада;
— Рентгенолюминесценция — свечение образуется за счёт воздействия рентгеновских лучей;
— Хемилюминесценция — возникновение оптического излучения люминофора в результате образования энергии при протекании экзотермической химической реакции;
— Фотолюминесценция — свечение вещества, возникающее под воздействием на него световых лучей оптического диапазона.
И виды люминесценции классифицирующиеся по продолжительности свечения, а именно:
— Флуоресценция — длительность жизни излучения составляет около 1–10 секунд;
— Фосфоресценция — значительно продолжительная длительность свечения: от секунды до нескольких суток.
Под продолжительностью жизни воспринимается время, которое происходит люминесценция при прекращении воздействия на люминофор возбуждения.
Химический анализ производился путём изучения химического состава чувствительного элемента производства великобританской фирмы «SST Sensing Ltd Company» под наименованием LuminOX-02 или LOX-02.
В качестве активного люминесцентного компонента использовался комплекс рутения, иначе Гексафторфосфат рутения (2+) 4,7-дифенил-1,10-фенантролин (1:2:3), имеющий химическую формулу [Ru(dpp)3](PF 6 )2, характеризующийся выраженной флуоресценцией в красной области спектра и высокой устойчивостью к фотодеградации.
Комплекс рутения был растворён для дальнейшего удобства нанесения трихлорметаном, с формулой CHCl 3
Для фиксации люминофора была применена полимерно-неорганическая матрица на основе полиметилксилоксана иначе (PDMS) имеющий химическую формулу CH 3 [Si(CH 3 )2O]nSi(CH 3 )3 с добавлением частиц диоксида кремния имеющий химическую формулу SiO2 двух фракций. Такое сочетание позволило совместить:
— механическую стабильность покрытия;
— газопроницаемость;
— гидрофобные свойства поверхности.
Формирование слоя осуществлялось методом дозированного нанесения на пластину оптического кварцевого стекла марки КУ-1 полученного раствора матрицы с последующей иммобилизацией раствора рутения внутри неё.
Экспериментальные результаты
Проведённые оптические измерения показали, что полученный слой демонстрирует отчётливое снижение интенсивности люминесценции при увеличении концентрации кислорода. Характер зависимости сохранялся стабильным при повторных циклах измерений.
Дополнительное защитное покрытие снижало влияние влаги и фотостарения, повышая воспроизводимость сигнала.
Рис. 1. График кривой люминесценции чувствительного элемента
Заключение
Разработанная технология формирования люминесцентного чувствительного слоя обеспечивает получение устойчивого и воспроизводимого оптического отклика на изменение концентрации кислорода. Полученные результаты подтверждают перспективность применения данного слоя в составе оптических сенсоров газового анализа.
Литература:
- Joseph R. Lakowicz. Mechanisms and Dynamics of Fluorescence Quenching // Principles of Fluorescence Spectroscopy. 3rd ed. New York: Springer Science+Business Media, LLC, 2006. P.
- RU-DPP-3 PF6–2. — Текст: электронный // medchemexpress.com: [сайт]. — URL:https://www.medchemexpress.com/ru-dpp-3-pf6–2.html?srsltid=AfmBOop0n188F1hfBHMl1MsCnuWOoWv-xAT-Cm5fd0bNroSEIslzx6ba (дата обращения: 13.01.2026).
- Энциклопедия химических элементов. — Текст: электронный // xumuk.ru: [сайт]. — URL: https://xumuk.ru/encyklopedia/2178.html (дата обращения: 13.01.2026).
- Полидиметилсилоксан. — Текст: электронный // asiltrade.ru: [сайт]. — URL: https://asiltrade.ru/polidimetilsiloksan (дата обращения: 13.01.2026).
