#P-30


Koncepcja fotonicznego układu scalonego do zastosowania w monitoringu zasobów wodnych

Andrzej KAŹMIERCZAK1, Anna JUSZA1,2, Aleksandra BIENIEK-KACZOREK1, Paweł BORTNOWSKI1, Łukasz KOZŁOWSKI1, Ryszard PIRAMIDOWICZ1,2,3

1Politechnika Warszawska, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Warszawa;
2LightHouse Sp. z o.o., Lublin;
3 VIGO Photonics S.A., Ożarów Mazowiecki

Ambicją projektu o akronimie FOSMO jest opracowanie autonomicznego sytemu do monitoringu w trybie ciągłym stężenia azotanów, azotynów i fosforanów w wodach powierzchniowych. Konsekwencją takiego założenia jest konieczność opracowania systemu bezobsługowego, gdzie pomiar nie będzie bazował na reakcjach chemicznych (z uwagi na ograniczoną możliwość dostarczania reagentów oraz usuwania produktów reakcji). Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie systemu optoelektronicznego typu Lab on a Chip wykorzystującego fotoniczny układ scalony. Umożliwi to otrzymanie urządzeń kompaktowych i o zwiększonej szybkości odpowiedzi. Obiekt pomiaru: stężenie jonów, które normalnie występują w wodach powierzchniowych uniemożliwia zastosowanie rozwiązania typowego dla immunosensorów [1]: rezonatora fotonicznego pokrytego warstwą receptorową i wymusza zastosowanie metod spektroskopowych. W zespole PW zweryfikowano doświadczalnie zakresy widmowe, dla których obecność jonów azotanowych, azotynowych i fosforanowych powoduje zwiększoną absorpcję światła. Zidentyfikowano piki absorpcyjne dla następujących długości fali: 7,00 µm dla fosforanów, 7,55 µm dla azotynów oraz 7,65 µm dla azotanów.
W oparciu o uzyskane wyniki opracowany zostanie układ fotoniczny wykorzystujący struktury rezonansowe (np. rezonatory pierścieniowe) pozwalający na wykrywanie zwiększonej absorpcji światła spowodowanej przez obecność ww. jonów w zatężonej próbce wód powierzchniowych. Przeanalizowane zostaną dostępne i możliwe do wykorzystania platformy materiałowe oraz rodzaje struktur falowodowych zwiększających wpływ otoczenia na propagację sygnału w falowodzie (np. światłowody przewężone [2] czy tzw. slot waveguides [1]). Układ sensoryczny będzie zawierał co najmniej 3 komórki sensoryczne opracowane każda dla jednej z wymienionych wyżej charakterystycznych dł. fali, do których doprowadzony zostanie sygnał o odpowiedniej dł. fali. Pomiar zmiany stężenia ww. jonów w próbce będzie dokonany poprzez pomiar zmiany intensywności sygnału na każdej z komórek sensorycznych.
Finansowanie
Badania prowadzone w ramach realizacji projektu pt. „Opracowanie innowacyjnego fotonicznego systemu monitoringu zasobów wodnych” (FOSMO) nr. umowy HYDROSTRATEG1/000E/2022 współfinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu HYDROSTRATEG.


Literatura
[1] C.F. Carlborg i in., A packaged optical slot-waveguide ring resonator sensor array for multiplex label-free assays in labs-on-chips, Lab on a Chip 10 (3), pp. 281-290, 2009
[2] M.A. Butt i in. Mode Sensitivity Exploration of Silica–Titania Waveguide for Refractive Index Sensing Applications, Sensors 21 (22), pp. 7452, 2021