Sensores intrínsecos de fibra óptica (OF) de reflexão

Nos últimos anos, vários investigadores têm centrado os seus estudos no desenvolvimento de sensores de fibra óptica baseados em fenómenos de reflexão da luz, para determinação de VOCs. Por exemplo, em 2001 Bariáin et al. [10] desenvolveram um sensor de OF para detecção de VOCs utilizando um material vapo-cromático depositado na extremidade da fibra pela técnica de sol-gel. Este material apresenta variações de cor em função da sua exposição a vapores orgânicos, apresentando uma tonalidade preta na ausência de vapor orgânico e adquirindo uma tonalidade alaranjada na presença dos mesmos. O sensor de OF desenvolvido neste estudo é constituído por uma fibra óptica monomodo incorporada num acoplador óptico direccional de 4 canais/portas (duas de entrada e duas de saída), cuja função é dividir coerentemente o feixe óptico incidente numa das portas de entrada (P1) e direccioná-lo para as portas de saída (P3 e P4). A Figura 1.3

apresenta uma representação esquemática deste tipo de acoplador. O funcionamento do acoplador de OF direccional tem por base a aproximação dos núcleos das duas fibras de constituição do acoplador de forma que os modos de propagação do feixe em cada núcleo se sobrepõem parcialmente na região de revestimento entre os dois núcleos, zona representada a tracejado na Figura 1.3. Assim, quando os núcleos das duas fibras se encontram suficientemente próximos, de forma a ocorrer sobreposição dos seus campos modais verifica-se um acoplamento de onda evanescente que provoca uma transferência de potência óptica entre as duas fibras [11].

Figura 1.3 - Representação esquemática de um acoplador direccional de fibra óptica (P1 – porta 1, P2 – porta 2, P3 – porta3 e P4 – porta 4).

A resposta analítica do sensor de OF desenvolvido por Bariáin et al. [10] foi avaliada para diferentes condições: primeiramente foram testadas diferentes concentrações de acetona (0,02; 0,05 e 0,06 M) fixando o comprimento de onda do laser, em seguida o comportamento analítico do sensor foi avaliado para a análise de acetona a três comprimentos de onda diferentes (635, 1310 e 1550 nm) para a mesma concentração de vapor orgânico (0,06 M) e por fim foi monitorizada a resposta do sensor durante a determinação de 7 compostos orgânicos diferentes (acetona, tolueno, acetato de etilo, dicloroetano, diclorometano, tetrahidrofurano, etanol e clorofórmio). A fibra óptica, cuja extremidade é revestida com o material transdutor, é colocada no interior de uma câmara na qual é introduzido o composto de interesse. Após vaporização do composto é observada uma diminuição da potência óptica reflectida, adquirida ao longo do tempo como sinal analítico. Em termos gerais a potência óptica diminui com o aumento da concentração de analito, ou seja quanto maior a concentração de analito presente na câmara de amostragem maior a variação de potência óptica reflectida. Os resultados obtidos na comparação da

resposta do sensor na análise de 0,06 M de acetona a diferentes comprimentos de onda sugerem que um aumento do comprimento de onda do laser promove uma estabilização mais rápida e um sinal analítico maior, o que poderá dever-se a um aumento do índice de refracção do material transdutor a comprimentos de onda maiores.

Em 2005, Bariáin et al. [12] desenvolveram um sensor de OF utilizando como material de transdução um composto vapo-cromático baseado na mistura ouro-prata e difenilacetil. Estes materiais são depositados na extremidade de uma OF multimodo com 200
m de diâmetro do núcleo, sendo a fixação do material transdutor à fibra conseguida pela utilização de um solvente adequado. Em 2006, Elosúa et al. [13] desenvolveram um nanosensor de OF com base num interferómetro Fizeau para detecção de alguns álcoois, utilizando uma OF dopada com material vapo-cromático na extermidade. Este material é depositado na extremidade clivada de uma OF multimodo pelo método de auto-montagem electrostática (ESA, da sigla inglesa electrostatic self-assembly). O sinal analítico deste dispositivo é originado pelas variações de potência óptica reflectida causadas por mudanças no índice de refracção ou nas propriedades cromáticas do material transdutor na presença de vapores orgânicos, nomeadamente álcoois. Em 2008, Elosúa et al. [14] desenvolveram um sensor de OF baseado na imobilização de indicadores em nanocavidades Fabry-Perot. O desempenho analítico do sensor desenvolvido foi testado para duas técnicas diferentes relativamente à deposição do material vapo-cromático, baseadas no método ESA.

O mecanismo de detecção, subjacente aos sensores acima referidos [10, 12-14] consiste genericamente na reflexão da luz na extremidade de uma OF. Ou seja, a luz emitida pela fonte óptica é conduzida pela OF até à zona analítica do sensor, a qual é normalmente dopada com um material cromático que apresenta variações nas suas propriedades (cor e índice de refracção) na presença de vapores orgânicos, causando variações (reflexão) da luz conduzida pelo núcleo da fibra. Por fim, a luz reflectida ou sinal reflectido é conduzido até ao fotodetector [5]. Na Figura 1.4 é apresentado um esquema genérico do tipo de montagem experimental utilizado em sensores de OF baseados na reflexão da luz, onde se destacam os seguintes componentes principais: fibra óptica, acoplador, fonte radiação óptica, fotodetector e sistema de aquisição de dados.

Figura 1.4 - Esquema do tipo de montagem experimental utilizada em sensores de fibra óptica intrínsecos baseados em reflexão.

Um dos últimos estudos efectuados por Elosúa et al. [15] consistiu no desenvolvimento de um sensor de OF para determinação de vapores de piridina. O sensor consiste na utilização de uma fibra óptica revestida na parte terminal com um novo material vapo-cromático, que apresenta variações de cor de azul para rosa-claro na presença de vapores de piridina. O material transdutor é fixado na extremidade da fibra pela técnica de imersão, utilizando uma matriz polimérica complexa formada por policloreto de vinilo (PVC), tributilfosfato (TBP) e tetrahidrofurano (THF). O sensor de OF desenvolvido apresentou um desempenho analítico superior para camadas de material transdutor de cerca de 13
m de espessura (2 camadas de revestimento) relativamente a sistemas constituídos por 3, 4 e 5 camadas (com espessuras ente 19 e 35
m). O sensor constituído por uma camada de revestimento (de aproximadamente 8
m) apresentou um sinal analítico de fraca amplitude, porém o desempenho analítico (tempo de resposta e grandeza do sinal analítico) obtido para este sistema foi relativamente superior ao desempenho analítico obtido para um sensor constituído por uma OF com 5 camadas de material transdutor.