Спектрофотометрические сенсоры как один из видов оптических сенсоров. Фотоплетизмографы. Оксиметры и пульсоксиметры
Цель лекции: oбъяснить слушателям достоинства и преимущества интеллектуальных оптических сенсоров, дать их классификацию по природе первичных оптических информационных сигналов. Показать место среди них спектрофотометрических сенсоров. Напомнить основные сведения о методе спектрофотометрии, законы поглощения и рассеяния света в веществе. Раскрыть принципы, лежащие в основе фотоплетизмографии, окклюзионной фотоплетизмографии, оксиметрии, пульсоксиметрии. Привести примеры современных интеллектуальных фотоплетизмографов, оксиметров и пульсоксиметров. Объяснить их возможности и указать области применения.
18.1. Cпектрофотометрические сенсоры как один из видов оптических сенсоров
Одним из широчайших классов сенсоров являются оптические сенсоры, в которых первичную информацию об исследуемом объекте (процессе) собирает и доставляет свет, а принцип действия основан на тех или иных законах оптики. Привлекательность оптических сенсоров обусловлена тем, что свет способен переносить очень значительные потоки информации при малой мощности, практически не влияя на состояние объекта, не повреждая его, может проникать в объект на значительную глубину, действовать дистанционно.
18.1.1. Классификация оптических сенсоров
В пассивных оптических сенсорах с целью получения информации об объекте используют естественное внешнее освещение или собственное излучение объекта (тепловое, люминесцентное, вызванное радиоактивными распадами ядер собственных или специально введенных атомов и т.п.).
В активных оптических сенсорах объект целеустремленно облучают извне светом определенного спектрального состава, поляризации, направленности, модуляции и регистрируют изменения характеристик этого света, которые произошли в результате его взаимодействия с объектом.
Оптические сенсоры, в которых основную информацию об объекте несут изменения в спектральном распределении интенсивности света, называют спектрофотометрическими . Примеры таких интеллектуальных сенсоров мы рассмотрим в данном разделе.
Оптические сенсоры, в которых основную информацию об объекте получают, наблюдая разные виды люминесценции, называют люминесцентными. Примеры таких интеллектуальных сенсоров будут описаны в следующем разделе.
Очень интересный и перспективный новый вид оптических сенсоров, разработка которого приходится на конец ХХ – начало ХХІ в. составляют сенсоры, которые используют явление поверхностного плазмонного резонанса ( ППР сенсоры ). Их мы тоже рассмотрим в следующем разделе.
Уже давно известны и широко применяются для особо точных измерений оптические сенсоры, в которых используется явление интерференции света – интерферометрические сенсоры или интерферометры.
Оптические сенсоры, в которых основную информацию об объекте несут изменения в поляризации света, называют поляриметрическими.
К классу оптических сенсоров принадлежат также сенсоры, в которых используются явления обычного (" релеевского ") и комбинационного рассеяния света. Напомним, что, когда монохроматический свет проходит сквозь оптическую среду, взаимодействуя с его молекулами, он может возбуждать колебательные или вращательные движения групп их атомов, из-за чего в рассеянном свете появляются спектральные компоненты с характерным изменением частоты колебаний. Обнаруживая такие спектральные компоненты, измеряя их интенсивность и частотный сдвиг относительно зондирующего монохроматического света, сенсор может получить информацию о наличии в объекте тех или иных молекул и об их концентрации (это так называемая "рамановская" спектроскопия ).
К классу оптических принадлежат также сенсоры, в которых для получения информации используется активная световая локация, законы отражения и преломления света, прохождение его сквозь неоднородную среду, явления дифракции света и т.п.
18.1.2. Принципы работы спектрофотометрических сенсоров
Спектрофотометрический метод выявления присутствия и измерения концентрации биологически важных веществ давно известен и широко применяется на практике. Он основан на том, что большинство веществ имеют свои специфические спектры излучения и поглощения в той или иной области спектра. Поэтому при прохождении света сквозь вещество его спектральный состав изменяется. По этим изменениям можно выявить присутствие контролируемого вещества (аналита) (это качественный спектральный анализ), а измеряя величину изменений спектральных интенсивностей, – вычислить концентрацию аналита или его количество (это количественный спектральный анализ – спектрофотометрия ).
В технике спектрофотометрические измерения производят обычно на плоскопараллельных прозрачных твердых пластинах, на тонких плоскопараллельных пленках, содержащих аналит, или на прозрачных растворах, залитых в плоскопараллельные кюветы калиброванной (точно заданной) толщины.
Известно много разновидностей (методов, методик) спектрофотометрии. Если измерения осуществляют с использованием одной кюветы с раствором (или одной пластины, пленки), то это – одноканальная спектрофотометрия. Если используют несколько кювет (пластин, пленок) разной толщины или с разной концентрацией аналита и сравнивают интенсивности прошедших сквозь них нескольких пучков света, то это – многоканальная спектрофотометрия.
Если спектральные интенсивности измеряют лишь на одной длине волны, то такой метод называют одноволновым, если на двух длинах волн, то – двухволновым, если на многих длинах волн, то – многоволновым. Может записываться также непрерывный спектр прошедшего сквозь исследуемые образцы излучения. Тогда для получения результатов анализа используют всё распределение спектральных интенсивностей в выделенной области спектра (метод непрерывного спектра ).
В зависимости от области спектра, в которой выполняются спектрофотометрические исследования, говорят об инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой спектрофотометрии.
Напомним вкратце законы поглощения и рассеяния света. Основной закон ослабления света при прохождении сквозь вещество в дифференциальной форме имеет вид:
 |
( 18.1) |
– интенсивность света в веществе на глубине 
, 
– прирост интенсивности света после прохождения очень тонкого слоя вещества толщиной 
, 
– коэффициент ослабления света в веществе. Знак минус означает, что при прохождении света сквозь вещество его интенсивность убывает. Ослабление света может происходить как за счет поглощения, так и за счет рассеяния света веществом. Коэффициент ослабления света веществом 
в общем случае зависит от длины волны света 
.Если проинтегрировать дифференциальное выражение (18.1) по толщине слоя вещества от 0 до 
, принимая, что на входе в слой (при 
) интенсивность света равна 
, то получим интегральный закон прохождения света через слой вещества:
 |
( 18.2) |
Отношение интенсивности света после прохождения слоя вещества к интенсивности падающего на него света
 |
( 18.3) |
 |
( 18.4) |
Часто пользуются также понятием оптической плотности слоя вещества
 |
( 18.5) |
 |
( 18.6) |
При работе с пластинами, тонкими пленками, кюветами с раствором ( рис. 18.1) приходится учитывать также отражение света от их передней и задней граней.
Тогда интенсивность света, прошедшего сквозь исследуемый образец, описывается известной формулой
 |
( 18.7) |
– коэффициент пропускания кюветы (пластины, тонкой пленки), учитывающий только отражение света на гранях. Иногда в него включают также "фоновое" поглощение чистого растворителя (вещества пластины, пленки) в отсутствие аналита. В оптике аналит часто называют также "красителем", поскольку он придает или меняет окраску раствора. В этом случае коэффициент пропускания показывает, какая доля падающего света проходит сквозь кювету с чистым растворителем (сквозь пластинку, плёнку и т.д.) при отсутствии аналита.Если мы имеем раствор лишь одного вида молекул (одного "красителя") в прозрачном растворителе, то
 |
( 18.8) |
– молярный коэффициент поглощения красителя; 
– его молярная концентрация.Измеряя спектральные интенсивности и 
в полосе поглощения красителя и зная пропускание кюветы , значения и , по формулам (18.7, 18.8) можно вычислить концентрацию красителя.
Если мы имеем раствор нескольких разных красителей в растворителе, который и сам частично поглощает свет, то
 |
( 18.9) |
– молярные коэффициенты поглощения вещества-растворителя и 1-го, 2-го, ... , 
-го красителей соответственно; 
– их молярные концентрации.Свет при прохождении сквозь вещество может ослабляться не только из-за поглощения, но и из-за рассеяния. Тогда в формулах (18.2) появляются аналогичные слагаемые, обусловленные рассеянием света.
18.1.3. Кратко о технике спектрального анализа
Еще в середине ХХ века обязательными узлами спектрофотометрических сенсоров были оптические призмы или дифракционные решетки, которые разлагали свет в спектр и позволяли выделять из него требуемые узкие спектральные интервалы. Но после разработки технологий расчета и изготовления небольших по размерам узкополосных интерференционных светофильтров и после создания лазерных диодов, излучающих почти монохроматический свет, во многих случаях оказалось возможным обойтись без указанных спектральных узлов. Это открыло путь к созданию портативных спектрофотометрических сенсоров, примеры которых мы рассмотрим в данном разделе.
Дальнейшим развитием стало создание и совершенствование т.н. " Фурье-спектрометров ". Их действие основано на том, что базовое расстояние между отражающими поверхностями в интерферометре делают переменным и точно регулируемым. При его изменении соответственно меняется и длина волны света, при котором наблюдается максимум пропускания. Экспериментально найденная зависимость интенсивности пропускаемого света от толщины интерферометра (" интерферограмма ") с помощью компьютера, выполняющего преобразование Фурье, легко пересчитывается в зависимость интенсивности пропускаемого света от длины волны, т.е. в обычный спектр пропускания [ [ 318 ] ]. Интерферометр с регулируемым базовым расстоянием можно сделать весьма компактным.
Разработаны и нашли применение в оптических сенсорах также и т.н. "перенастраиваемые акустооптические фильтры". Они представляют собой акустический резонатор, заполненный оптически прозрачной средой. С помощью электронного генератора и пьезоэлектрического или магнитострикционного преобразователя в этой среде возбуждаются ультразвуковые стоячие волны. Расстояние между пучностями волн прямо зависит от частоты возбуждаемых колебаний. Плотность вещества в пучностях становится выше, чем в узлах. Проходящий сквозь оптически неоднородную среду акустооптического фильтра свет в результате интерференции в промежутках между пучностями разлагается в спектр, и на выход проходит только спектральная составляющая, длина волны которой соответствует интерференционному максимуму, т.е. удвоенному расстоянию между пучностями. Благодаря этому, длину волны проходящего сквозь фильтр света можно регулировать, изменяя частоту генерируемых ультразвуковых колебаний. Акустооптические фильтры тоже получаются весьма компактными.
Спектрофотометрический метод широко используют в биологии и медицине. Тем не менее, до последнего времени, как правило, работали с препаратами биологических веществ ( in vitro ). Т.е. готовили тонкие плоскопараллельные срезы тканей, растворы или вытяжки из биологических тканей и объектов и т.п. На нынешнем этапе биология и медицина стараются уже как можно больше информации получать от живого объекта ( in vivo ), без разрушения живой ткани, неинвазивно, с наименьшим влиянием на естественные процессы, происходящие в организме человека, животных, растений. И в этих случаях наиболее ценным инструментом исследования становится свет. Но это потребовало развития новых технологий спектрофотометрических измерений, о которых мы расскажем в дальнейшем.