Thiết kế và mô phỏng cảm biến sợi tinh thể quang cho phát hiện hóa chất độc hại trong nhựa polycarbonate

Abdul Mu’iz Maidi1, Rudi Salam1, Md. Abul Kalam2, Feroza Begum1
1Faculty of Integrated Technologies, Universiti Brunei Darussalam, Bandar Seri Begawan, Brunei Darussalam
2School of Civil and Environmental Engineering, Faculty of Engineering and Information Technology, University of Technology Sydney, Sydney, Australia

Tóm tắt

Một cảm biến sợi tinh thể quang (PCF) để phát hiện các hóa chất độc hại như di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), bisphenol A (BPA) và bisphenol S (BPS) trong nhựa polycarbonate đã được đề xuất sử dụng silic đồng nhất như chất nền, bao gồm một lỗ lõi mười cạnh và 2 lớp lỗ không khí bọc tròn được sắp xếp theo hình lục giác, và được phân tích số bằng COMSOL Multiphysics với Phương pháp Phần tử Hữu hạn. Cảm biến PCF đã được đánh giá về diện tích hiệu quả, hệ số phi tuyến, phân tán màu sắc, tham số V, phân đoạn công suất, độ nhạy tương đối và tổn thất giam giữ từ dải bước sóng nhìn thấy đến hồng ngoại. Kết quả cho thấy độ nhạy tương đối lần lượt là 99.14%, 99.93% và 99.95% cho DEHP, BPA và BPS, ở bước sóng tối ưu là 0.4 µm, với tổn thất giam giữ dao động từ 10−21 đến 10−17 dB/m cho tất cả các mẫu thử. Thiết kế cũng cho thấy độ bền đối với các biến đổi về các lớp lỗ không khí bọc và kích thước toàn cầu, điều này làm cho nó trở thành một ứng viên đầy hứa hẹn cho các ứng dụng cảm biến thực tế trong ngành sản xuất nhựa. Hơn nữa, khả năng của cảm biến đạt được tổn thất giam giữ thấp, phân tán màu sắc thấp và hệ số phi tuyến cao chứng tỏ tính phù hợp của nó cho một loạt các ứng dụng khác, bao gồm truyền thông quang, tạo siêu phổ và chiếu sáng.

Từ khóa

#cảm biến sợi tinh thể quang #DEHP #BPA #BPS #nhựa polycarbonate #phân tán màu sắc #độ nhạy tương đối

Tài liệu tham khảo

Abbaszadeh, A., Makouei, S., Meshgini, S.: New hybrid photonic crystal fiber gas sensor with high sensitivity for ammonia gas detection. Can. J. Phys. 100(2), 129–137 (2022). https://doi.org/10.1139/cjp-2021-0016

Agbemabiese, P.A., Akowuah, E.K.: Numerical analysis of photonic crystal fiber of ultra-high birefringence and high nonlinearity. Sci. Rep. 10(1), 21182 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-77114-x

Ahmed, K., Chowdhury, S., Paul, B.K., Shadidul Islam, M., Sen, S., Ibadul Islam, M., Asaduzzaman, S.: Ultrahigh birefringence, ultralow material loss porous core single-mode fiber for Terahertz wave guidance. Appl. Opt. 56(12), 3477 (2017). https://doi.org/10.1364/AO.56.003477

Ballesteros-Gómez, A., Rubio, S., Pérez-Bendito, D.: Analytical methods for the determination of bisphenol A in food. J. Chromatogr. A 1216(3), 449–469 (2009). https://doi.org/10.1016/j.chroma.2008.06.037

Begum, F., Abas, P.E.: Near infrared supercontinuum generation in silica based photonic crystal fiber. Prog. Electromagn. Res. C 2019(89), 149–159 (2018). https://doi.org/10.2528/PIERC18100102

Begum, F., Namihira, Y., Razzak, S.M.A., Kaijage, S.F., Hai, N.H., Miyagi, K., Higa, H., Zou, N.: Flattened chromatic dispersion in square photonic crystal fibers with low confinement losses. Opt. Rev. 16(2), 54–58 (2009). https://doi.org/10.1007/s10043-009-0011-x

Braun, J.M., Sathyanarayana, S., Hauser, R.: Phthalate exposure and children’s health. Curr. Opin. Pediatr. 25(2), 247–254 (2013). https://doi.org/10.1097/MOP.0b013e32835e1eb6

Carli, F., Ciociaro, D., Gastaldelli, A.: Assessment of exposure to Di-(2-Ethylhexyl) phthalate (DEHP) metabolites and bisphenol A (BPA) and Its importance for the prevention of cardiometabolic diseases. Metabolites 12(2), 167 (2022). https://doi.org/10.3390/metabo12020167

Cimmino, I., Fiory, F., Perruolo, G., Miele, C., Beguinot, F., Formisano, P., Oriente, F.: Potential mechanisms of bisphenol A (BPA) contributing to human disease. Int. J. Mol. Sci. 21(16), 5761 (2020). https://doi.org/10.3390/ijms21165761

Dong, X., Qi, X., Liu, N., Yang, Y., Piao, Y.: Direct electrochemical detection of bisphenol A using a highly conductive graphite nanoparticle film electrode. Sensors 17(4), 836 (2017). https://doi.org/10.3390/s17040836

Green, R., Hauser, R., Calafat, A.M., Weuve, J., Schettler, T., Ringer, S., Huttner, K., Hu, H.: Use of Di(2-Ethylhexyl) phthalate-containing medical products and urinary levels of mono(2-Ethylhexyl) phthalate in neonatal intensive care unit infants. Environ. Health Perspect. 113(9), 1222–1225 (2005). https://doi.org/10.1289/ehp.7932

Habib, A., Anower, S., Haque, I.: Highly sensitive hollow core spiral fiber for chemical spectroscopic applications. Sens. Int. 1, 100011 (2020). https://doi.org/10.1016/j.sintl.2020.100011

Habib, M.A., Anower, M.S., AlGhamdi, A., Faragallah, O.S., Eid, M.M.A., Rashed, A.N.Z.: Efficient way for detection of alcohols using hollow core photonic crystal fiber sensor. Opt. Rev. 28(4), 383–392 (2021). https://doi.org/10.1007/s10043-021-00672-6

Habib, M.A., Abdulrazak, L.F., Magam, M., Jamal, L., Qureshi, K.K.: Design of a highly sensitive photonic crystal fiber sensor for sulfuric acid detection. Micromachines 13(5), 670 (2022). https://doi.org/10.3390/mi13050670

Hai, N.H., Namihira, Y., Kaijage, S.F., Kinjo, T., Begum, F., Abdur Razzak, S.M., Zou, N.: A unique approach in ultra-flattened dispersion photonic crystal fibers containing elliptical air-holes. Opt. Rev. 15(2), 91–96 (2008). https://doi.org/10.1007/s10043-008-0013-0

Hossain, M., Podder, E., Adhikary, A., Al-Mamun, A.: Optimized hexagonal photonic crystal fibre sensor for glucose sensing. Adv. Res. 13(3), 1–7 (2018). https://doi.org/10.9734/AIR/2018/38972

Islam, M.S.M.R., Kabir, M.F., Talha, K.M.A., Islam, M.S.M.R.: A Novel hollow core terahertz refractometric sensor. Sens. Bio-Sens. Res. 25, 100295 (2019). https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2019.100295

Jibon, R.H., Ahmed, M., Hasan, M.K.: Identification of detrimental chemicals of plastic products using PCF in the THz regime. Meas. Sensors 17, 100056 (2021). https://doi.org/10.1016/j.measen.2021.100056

Kaijage, S.F., Ouyang, Z., Jin, X.: Porous-core photonic crystal fiber for low loss Terahertz wave guiding. IEEE Photonics Technol. Lett. 25(15), 1454–1457 (2013). https://doi.org/10.1109/LPT.2013.2266412

Lundin, A.P.: The safety of Di(2-Ethylhexyl) phthalate in patients receiving hemodialysis treatment. JAMA J. Am. Med. Assoc. 256(20), 2817 (1986). https://doi.org/10.1001/jama.1986.03380200055014

Maidi, A.M., Abas, P.E., Petra, P.I., Kaijage, S., Zou, N., Begum, F.: Theoretical considerations of photonic crystal fiber with all uniform-sized air holes for liquid sensing. Photonics 8(7), 249 (2021a). https://doi.org/10.3390/photonics8070249

Maidi, A.M., Yakasai, I., Abas, P.E., Nauman, M.M., Apong, R.A., Kaijage, S., Begum, F.: Design and simulation of photonic crystal fiber for liquid sensing. Photonics 8(1), 16 (2021b). https://doi.org/10.3390/photonics8010016

Maidi, A.M., Kalam, M.A., Begum, F.: Photonic crystal fiber sensor for detecting sulfuric acid in different concentrations. Photonics 9(12), 958 (2022a). https://doi.org/10.3390/photonics9120958

Maidi, A.M., Shamsuddin, N., Wong, W.-R., Kaijage, S., Begum, F.: Characteristics of ultrasensitive hexagonal-cored photonic crystal fiber for hazardous chemical sensing. Photonics 9(1), 38 (2022b). https://doi.org/10.3390/photonics9010038

Miyagi, K., Namihira, Y., Razzak, S.M.A., Kaijage, S.F., Begum, F.: Measurements of mode field diameter and effective area of photonic crystal fibers by far-field scanning technique. Opt. Rev. 17(4), 388–392 (2010). https://doi.org/10.1007/s10043-010-0072-x

Niger, M., Hasin, T.F.: Detection of harmful chemical compounds in plastics with highly sensitive photonic crystal fiber with higher nonlinear coefficient. In 2019 IEEE International Conference on Signal Processing, Information, Communication & Systems (SPICSCON); IEEE, 2019; pp 18–22. https://doi.org/10.1109/SPICSCON48833.2019.9065165.

Nomiri, S., Hoshyar, R., Ambrosino, C., Tyler, C.R., Mansouri, B.: A mini review of bisphenol A (BPA) effects on cancer-related cellular signaling pathways. Environ. Sci. Pollut. Res. 26(9), 8459–8467 (2019). https://doi.org/10.1007/s11356-019-04228-9

Rana, S., Saiful Islam, M., Faisal, M., Roy, K.C., Islam, R., Kaijage, S.F.: Single-mode porous fiber for low-loss polarization maintaining terahertz transmission. Opt. Eng. 55(7), 076114 (2016). https://doi.org/10.1117/1.OE.55.7.076114

Rather, J.A., De Wael, K.: Fullerene-C60 sensor for ultra-high sensitive detection of bisphenol-A and its treatment by green technology. Sens. Actuators B Chem. 176, 110–117 (2013). https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.08.081

Rogers, J.A., Metz, L., Yong, V.W.: Review: endocrine disrupting chemicals and immune responses: a focus on bisphenol-A and Its potential mechanisms. Mol. Immunol. 53(4), 421–430 (2013). https://doi.org/10.1016/j.molimm.2012.09.013

Rustagi, N., Singh, R., Pradhan, S.: Public health impact of plastics: an overview. Indian J. Occup. Environ. Med. 15(3), 100 (2011). https://doi.org/10.4103/0019-5278.93198

Wang, H., Gao, R., Liang, W., Wei, S., Zhou, Y., Zeng, F.: Assessment of BPA and BPS exposure in the general population in Guangzhou, China—estimation of daily intakes based on urinary metabolites. Environ. Pollut. 315, 120375 (2022). https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120375

Williams, S.A., Jasarevic, E., Vandas, G.M., Warzak, D.A., Geary, D.C., Ellersieck, M.R., Roberts, R.M., Rosenfeld, C.S.: Effects of developmental bisphenol A exposure on reproductive-related behaviors in california mice (Peromyscus Californicus): a monogamous animal model. PLoS ONE 8(2), e55698 (2013). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0055698

Yakasai, I.K., Abas, P.E., Ali, S., Begum, F.: Modelling and simulation of a porous core photonic crystal fibre for Terahertz wave propagation. Opt. Quantum Electron. (2019). https://doi.org/10.1007/s11082-019-1832-x

Žalmanová, T., Hošková, K., Nevoral, J., Prokešová, Š, Zámostná, K., Kott, T., Petr, J.: Bisphenol S instead of bisphenol A: a story of reproductive disruption by regretable substitution—a review. Czech J. Anim. Sci. 61(10), 433–449 (2016). https://doi.org/10.17221/81/2015-CJAS

Zhou, X., Kramer, J.P., Calafat, A.M., Ye, X.: Automated on-line column-switching high performance liquid chromatography isotope dilution tandem mass spectrometry method for the quantification of Bisphenol A, Bisphenol F, Bisphenol S, and 11 other phenols in urine. J. Chromatogr. B 944, 152–156 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jchromb.2013.11.009