Комбинированные волоконно-оптические сенсоры локального контроля температуры с радиофотонным опросом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Каид Мохаммед Ракиб Табит Мохаммед

• Каид Мохаммед Ракиб Табит Мохаммед
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Каид Мохаммед Ракиб Табит Мохаммед

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

1.1 Основные принципы и методы определения температуры, биомаркеров и молекул отдельного типа в образцах

1.1.1 Классификация биосенсоров

1.1.2 Классификация биосенсоров по элементу распознавания

1.1.3 Классификация биосенсоров по типу преобразователя

1.2 Волоконно-оптические биосенсоры

1.2.1 Волоконные брэгговские решетки

1.2.2 Поверхностный плазмонный резонанс

1.2.3 Биосенсоры на основе интерференции

1.3 Волоконно-оптические датчики температуры

1.3.1 Термометры на основе волоконных брэгговских решеток

1.3.2 Интерферометрические термометры

1.3.3 Ультралокальный термодинамический контроль с помощью наноалмазного термометра-нагревателя

1.4 Комбинированные торцевые волоконные датчики

1.4.1 Комбинированные структуры интерферометра Фабри - Перо и волоконных брэгговских решеток

1.4.2 Комбинированные структуры интерферометра Фабри - Перо и адресных брэгговских структур

1.4.3 Конический чувствительный элемент

1.5 Выводы по главе

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМБИНИРОВАННОГО ДАТЧИКА

2.1 Распространение лазерного излучения через слоистые структуры

2.1.1 Интерферометр Фабри - Перо

2.1.2 Волоконная брэгговская решетка

2.1.3 Комбинированная структура, состоящая из волоконной брэгговской решетки и интерферометра Фабри - Перо

2.1.4 Алгоритм реализации математической модели

2.2 Технические требования к условиям работы и системе его опроса

2.3 Информационная структура измерительного преобразования

2.3.1 Информационная структура температурного и деформационного воздействия

2.3.2 Информационная структура температурного и химико-биологического воздействия

2.4 Оценка чувствительности и погрешностей

2.4.1 Чувствительность интерферометра Фабри - Перо

2.4.2 Оценка чувствительности волоконной брэгговской решетки

2.4.3 Оценка чувствительности комбинированной структуры

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

3.1 Интерферометр Фабри - Перо

3.2 Волоконная брэгговская решетка

3.3 Комбинированная структура

3.4 Температурная зависимость

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТОРЦЕВЫХ СЕНСОРОВ ВЫСОКОЛОКАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

4.1 Калибровка комбинированного волоконно-оптического датчика

4.2 Методы формирования волоконных брэгговских решеток

4.3 Формирование интерферометра Фабри - Перо на торце волокна

4.3.1 Интерферометр из боросиликатного стекла

4.3.2 Интерферометр из фотополимерного материала

4.3.3 Ультратонкий полимерный интерферометр

4.3.4 Интерферометр в виде отрытой полости на торце волокна

4.3.5 Торцевой конический интерферометр

4.3.6 Изготовление комбинированных волоконно-оптических зондов с коническим торцевым интерферометром Фабри - Перо

4.4 Выбор материалов рабочей полости интерферометра

4.5 Натурные эксперименты по контролю температуры

4.6 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комбинированные волоконно-оптические сенсоры локального контроля температуры с радиофотонным опросом»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Высокоточное и локализованное измерение

Фи и и с» и и

изических полей и воздействии является крайне важной задачей в различных областях науки и техники, а именно в биомедицинских приложениях, химической промышленности, мониторинге окружающей среды и различных иных сферах. Например, в биомедицинских приложениях сверхмалые вибрации клеточных мембран, изменение температуры клеток и концентрации отдельных веществ в них играют важную роль, особенно когда организм занят жизненной активностью [1-5], а локальный и быстрый контроль этих параметров стал важной частью биомедицины и клеточной физиологии [6-9].

Волоконно-оптические датчики за счет своего малого размера и свойств кварцевого стекла, во-первых, могут обеспечить высокую локализацию измерений, а во-вторых, обеспечивают практическую полную биологическую нейтральность измерений. Например, развитие генетики потребовало разработку новых оптических устройств — оптродов, позволяющих управлять динамикой высоко локализованной поставки света в мозг с минимизацией повреждений и улучшенной биологической совместимостью [10-15]. Один из первых имплантируемых оптродов был основан на оптических волокнах с плоским окончанием, склеенных с линейными электродными массивами [16-21]. Несмотря на то, что эта конфигурация подвержена артефактам, вызванным фотоэлектрическими эффектами при прямом облучении электродов, она широко используется. Однако относительное положение между волокном и электродами приводит к неравномерному и асимметричному распределению света по массиву электродов и освещает большие объемы биологических тканей, выходя за пределы местного воздействия [21]. Применение высоко локализованных источников света вблизи мест регистрации и использование волноводных зондов делает возможным анализ вклада функциональных областей в глубоких участках мозга, предоставляя дополнительную возможность оптическим методам [22,23].

При работе с биологическими объектами, такими как нейроны или микроорганизмы, необходимо тщательно учитывать размеры сенсоров, чтобы они не оказывали

заметного влияния на объект измерения. Несмотря на имеющиеся технические сложности, разработка и улучшение методов интеграции и применения оптических волокон в биологических исследованиях представляет огромный научный потенциал. Эти волокна могут стать мощным инструментом для изучения биологических процессов на более глубоком уровне и открытия новых знаний о живых системах [24,25].

Волоконно-оптические датчики, как правило, строятся на основе волоконных брэгговских [26] или длиннопериодных решеток [27], эффектов флуоресценции [28], рамановского рассеяния [29], или интерферометров Фабри - Перо [30,31]. Разработке интерферометрических датчиков уделяется значительное внимание ввиду их высокой чувствительности и большого разнообразия конструкций [32-35], а особый интерес представляют датчики с размещением чувствительного элемента интерферометра Фабри - Перо на торце оптоволокна [36]. Функционирование таких датчиков осуществляется за счет изменения оптического пути прохождения света в области резонатора вследствие изменения показателя преломления материала резонатора. Показатель преломления (диэлектрическая проницаемость) материала изменяется под действием температуры или за счет его теплового расширения (изменения длины резонатора). Сравнительно малая величина термооптического коэффициента и коэффициента теплового расширения кварцевого стекла, из которого изготавливается оптическое волокно, ограничивает чувствительность технических решений, использующих исключительно кварцевое стекло для формирования резонатора. Чувствительность таких элементов, как правило, не превышает ~ 14 пм/°С [37]. Для повышения чувствительности предлагается использование различных материалов с повышенным теромооптическим коэффициентом и/или коэффициентом теплового расширения. Так, в [38] представлен интерферометр Фабри - Перо в виде кремниевого цилиндра, изготовленного по технологии глубинного реактивного ионно-плаз-менного травления и прикрепленного к торцу оптического волокна, обладающий чувствительностью порядка 85 пм/°С. В [32] представлен датчик, сформированный путем частичного заполнения полидиметилсилоксаном участка из полого волокна, температурная чувствительность которого достигала ~650 пм/°С. Схожий подход был продемонстрирован в [39], где для формирования интерферометра в полом волокне использовался полимерный клей Norland Optical Adhesive 65, отверждаемый ультрафиолетовым облучением, в результате чего был получен интерферометр с температурной чувствительностью ~2,87 нм/°С. Общими недостатками использования полимерных материалов являются необходимость их стабилизации и обеспечение биосовместимости. Другим примером интерферометра Фабри - Перо с повышенной температурной чувствительностью (~430 пм/°С) является герметичная полость внутри оптического волокна, заполненная этанолом [40], однако такой датчик

более сложен в изготовлении. В настоящее время опрос таких датчиков осуществляется либо путем регистрации амплитуды частотно обособленного узкополосного зондирующего излучения, либо с помощью оптических анализаторов спектра на основе широкополосного источника излучения и спектрометра.

Развитие оптико-волоконных методов и средств измерения требует появления адресных [41-45] и различного вида комбинированных [46-50] датчиков, позволяющих осуществлять одновременный контроль нескольких физических величин. Как правило, математические модели всех отдельных элементов таких датчиков хорошо разработаны и исследованы. В частности, для моделирования волоконных брэггов-ских решеток используется хорошо разработанный аппарат матриц передачи на основе теории связанных мод [51,52], а при проектировании оптоволоконных интерферометров Фабри - Перо используется метод функций Эйри [53-55]. Существуют и специализированное программное обеспечение, позволяющее моделировать оптические структуры, основанные на волоконных брэгговских решетках, включая различного рода структурированные системы [56].

Несмотря на все возможности предлагаемых методов и средств, существуют ограничения их применения, которые не позволяют осуществлять расчет произвольных слоистых структур, состоящих, в частности, из комбинации волоконных брэггов-ских решеток и интерферометра Фабри - Перо, или волоконных брэгговских решеток, созданные по технологии муаровой записи, [57]. Более того, в современной литературе, в том числе и в журналах высокого уровня, достаточно часто встречаются не соответствующие истине диаграммы спектров комбинированных систем, например, состоящих из волоконной брэгговской решетки и торцевого резонатора Фабри - Перо, которые представляются в виде простой суммы спектров отражения отдельных элементов — волоконной брэгговской решетки и Фабри - Перо.

Подробное математическое моделирование слоистых структур, подкрепленное результатами натурных экспериментов [58], показывает, что даже простая комбинация волоконных решеток Брэгга и интерферометра Фабри - Перо для ряда параметров системы обеспечивает появление асимметричных провалов в спектре отражения волоконных решеток Брэгга структуры вблизи пиков отражения волоконных решеток Брэгга, которые представляют особый интерес, поскольку спектральная особенность имеет более высокую добротность по сравнению с исходным спектром волоконных решеток Брэгга, а комбинация двух резонаторов обеспечивает асимметричный спектрально более узкий резонанс [58,59].

Особенно актуальным становится теоретическое исследование функциональных возможностей и границ применимости комбинированных волоконно-оптических мно-

гофункциональных датчиков на основе многослойных неоднородных волоконно-оптических структур спектральный отклик которых содержит высокодобротные включения, меняющих свое спектральное положение под действием воздействия выбранных физических полей, позволяют осуществлять их опрос радиофотонными методами.

В международной и отечественной научно-технической литературе обнаружено мало публикаций, посвященных реализации волоконно-оптических торцевых комбинированных датчиков на основе интерферометра Фабри - Перо и волоконных брэгговских решеток с радиофотонным методом опроса. Ключевым моментом тут является именно комбинация многослойных интерферометров с брэгговскими структурами, позволяющими осуществлять опрос спектрального положения таких структур радиофотонными методами, а высокодобротные спектральные включения позволяют одновременно использовать их как уникальный идентификатор сенсора.

Научная идея заключается в применении методов радиофотонного опроса спектрального отклика комбинированного датчика, построенного на основе интерферометра Фабри - Перо и волоконной брэгговской структуры, содержащего высокодобротные спектральные компоненты. Применение радиофотонных методов опроса комбинированных датчиков позволит повысить метрологические характеристики измерительной системы по сравнению с амплитудными методами, сохраняя при этом присущее им быстродействие и низкую стоимость реализации по сравнению с методами на основе спектрометров, что и определяет актуальность исследования.

Цель исследования является улучшение технико-экономических характеристик малоинвазивных датчиков температуры за счет формирования научно обоснованных принципов построения, исследования функциональных возможностей и границ применимости комбинированных биосенсоров, которые формируются на базе многослойных структур и неоднородностей в оптическом волокне, в качестве которых фигурируют различного рода периодические и квазипериодические брэгговские структуры, интерферометры Фабри - Перо, и различные комбинации таких этих элементов и одновременно обеспечивают наличие узко-полосных элементов в спектре отражения, позволяющих осуществлять высокоточный контроль спектрального положения их отклика радиофотонными методами опроса.

Исследование включает в себя решение следующих задач:

1. Анализ характеристик существующих и перспективных методов и средств создания чувствительных элементов на торце оптического волокна, предназначенных для контроля физических параметров биологических объектов с акцентом на контроль

температуры; анализ предпосылок и необходимости разработки новых типов оптоволоконных сенсорных систем, позволяющих повысить метрологические и технико-экономические характеристики таких систем.

2. Разработка математической модели прохождения монохроматической оптической плоской волны через элементы комбинированных интерферометрических структур различного вида, путем представления таких элементов в виде слоистых структур с различными физико-химическими параметрами.

3. Исследование закономерностей проявления линейных и нелинейных эффектов при прохождении монохроматической плоской волны через комбинированные волоконно-оптические структуры.

4. Разработка практических рекомендаций по проектированию и изготовлению комбинированных волоконно-оптических структур, обеспечивающих особенности спектрального отклика в диапазоне длин волн 1510-1590 нм, позволяющих использовать такие структуры в качестве чувствительных элементов волоконно-оптических сенсорных систем для локального контроля температуры, в том числе и для контроля температуры биологических объектов. Изготовление опытных и экспериментальных образцов сенсоров указанного типа с целью их практической верификации.

Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов обусловлена использованием методов математической физики, автомеханики волоконных брэгговских структур, математических методов моделирования, и апробированных методов обработки информации. Достоверность и обоснованность результатов определяются использованием известных положений фундаментальных наук; корректностью используемых математических моделей, их адекватностью реальным физическим процессам, совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными и результатами исследований других авторов.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- выявлены пути и сформулированы принципы улучшения метрологических и технико-экономических характеристик волоконно-оптических сенсорных систем за счет применения в них комбинированных структур, включающих интерферометр Фабри - Перо и квазипериодические брэгговские структуры, в качестве чувствительных элементов, предназначенных для локального измерения температуры, включая контактное измерение температуры в растворах, смесях и биологических объектов;

- построена и верифицирована математическая модель прохождения лазерного оптического излучения через слоистые среды, использующая одновременно математический аппарат матриц передачи и коэффициентов прохождения и отражения; показано, что предложенная модель может быть использована для проектирования спектра

отражения комбинированных волоконно-оптических чувствительных элементов, состоящих из волоконных брэгговских структур и интерферометра Фабри - Перо;

- предложена конфигурация комбинированного сенсора, отличающегося от традиционно используемых тем, что она помимо интерферометра включает в себя однородную и/или квазипериодическую волоконную брэгговскую структуру; выявлена закономерность появления в спектральном отклике комбинированной структуры высокодобротных включений, позволяющих осуществлять опрос ее спектрального положения и изменения формы радиофотонными методами.

Практическая значимость работы заключается в: разработке рекомендаций по проектированию, технических решений, схемы, программного обеспечения и экспериментального стенда, реализующих систему радиофотонного опроса сенсоров предложенного класса; разработке принципов калибровки комбинированных сенсоров на основе нейросетевых алгоритмов нечеткой логики; практических рекомендациях по формированию комбинированных структур в одномодо-вом оптическом волокне; экспериментально показанной возможности осуществления опроса спектрального положения и/или формы такой структуры радиофотонными методами, позволяющими упростить оптико-электронную схему опроса и осуществлять контроль с большей часто-той съема информации.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методы и средства улучшения метрологических и технико-экономических характеристик волоконно-оптических систем локального контроля температуры, позволяющие увеличить частоту локального контроля температуры с нескольких десятков килогерц до сотен мега-герц за счет использования радиофотонных методов опроса и комбинированных волоконных брэгговских структур с наличием в их спек-тральном отклике высокодобротных включений с постоянной разностной частотой, конфигурация которых однозначно коррелирована с изменением температуры в диапазоне 10 °С.

- информационная структура измерительного преобразования, используемая в чувствительном элементе, используемая при проектировании комбинированных волоконных брэгговских структур в качестве сенсоров температуры, позволяющая выявить специфические условия формирования спектрального отклика и уточнить границы применения таких структур для измерения температуры объектов контроля.

- закономерности формирования комбинированных волоконных брэггов-ских структур, позволяющие проектировать данные структуры с требуемой формой спектрального отклика, которая пригодна для радиофотонного опроса по наличию в них перманентной разностной частоты.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

В первой главе сделан аналитический обзор существующих и перспективных методов и средств контроля давления, концентрации и температуры жидкостей и биологических объектов, в том числе основанных на применении волоконно-оптических датчиков, с целью выявления путей улучшения их метрологических и технико-экономических характеристик.

В первом разделе рассмотрены основные принципы и методы определения биомаркеров и молекул отдельного типа в биологических образцах. Подробно описана методология измерений и классификация биосенсоров по элементу распознавания и методу преобразования.

Во втором разделе исследованы биосенсоры на базе волоконно-оптических сенсоров, включая датчики на основе: волоконных брэгговских решеток, поверхностного плазмонного резонанса, и интерферометрических биосенсоров.

В третьем разделе обсуждаются волоконно-оптические датчики температуры, на основе волоконных брэгговских решеток, интерферометров различной конфигурации, с акцентом на локальные и ультралокальные термодинамические системы контроля.

В четвертом разделе исследуются комбинированные датчики и датчики с конструктивными особенностями, включая комбинированные структуры интерферометра Фабри - Перо и волоконные брэгговские решетки и

адресные брэгговские структуры. Отдельно рассматриваются конические торцевые чувствительные элементы.

В пятом разделе сделаны выводы по главе, определены объект, предмет и цель исследования, сформулированы задачи, выполнение которых необходимо для достижения поставленных целей и научных задач.

1.1 Основные принципы и методы определения температуры, биомаркеров и молекул отдельного типа в образцах

1.1.1 Классификация биосенсоров

Биосенсоры можно классифицировать на две основные категории в зависимости от элемента распознавания и метода преобразования, Рисунок 1.1.

Рисунок 1.1 - Классификация биосенсоров по элементу распознавания и методу преобразования

В зависимости от элемента распознавания, биосенсоры делятся на эн-зиматические [60], аффинные [61] и микробные [62] . Энзиматические биосенсоры используют ферменты как биологически активные компоненты для распознавания специфических (искомых) молекул или ионов. Аффинные биосенсоры применяют антитела или нуклеиновые кислоты, обладающие высокой специфичностью к целевым биомаркерам. Микробные биосенсоры, в свою очередь, используют живые микроорганизмы или вирусы для обнаружения и анализа различных биологических и химических веществ.

С другой стороны, классификация биосенсоров на основе метода преобразования разделяет их на оптические, электрохимические и механические биосенсоры. Оптические биосенсоры работают на принципе изменения световых сигналов, вызванных взаимодействием искомых молекул с биорецепторами, и могут использовать различные технологии, например, такие как поверхностный плазмонный резонанс или интерференцию. Электрохимические биосенсоры используют потенциометрические и амперометриче-ские методы и обнаруживают изменения в электрических свойствах раствора, вызванные присутствием искомых реагентов в растворах. Механические биосенсоры (например, акустические пластинки) регистрируют изменения физических параметров, таких как масса, плотность, вязкость, изменение которых которые индуцировано присутствием искомых биомолекул.

1.1.2 Классификация биосенсоров по элементу распознавания

Биосенсоры обычно делятся на три основные категории, в зависимости от типа биологического рецептора, который они используют. Эти группы различаются как по характеру взаимодействия, так и по типу биологического элемента. К первой группе относятся биокаталитические сенсоры, использующие ферменты для катализирования реакций. Вторая группа включает биоаффинные сенсоры, которые основаны на взаимодействии антител и/или нуклеиновых кислот с целевыми молекулами. Третья

категория — микробные сенсоры, использующие живые организмы, такие как бактерии и вирусы, для обнаружения и анализа веществ.

Биокаталитические биосенсоры применяют ферменты в качестве активных биологических компонентов. Эти ферменты способны специфически распознавать свои субстраты и катализировать их превращение, что делает их высокоэффективными биокатализаторами. [63,64]. Биокаталитические сенсоры включает каталитическое преобразование аналита ферментом. Предел обнаружения этих биосенсоров в основном определяется активностью фермента. Однако Основным ограничением ферментных биосенсоров является их чувствительность к условиям окружающей среды, таким как рН, температура и наличие ингибиторов. Эти факторы могут влиять на активность ферментов, снижая их эффективность и стабильность.

Биоаффинные биосенсоры — это устройства, которые используют биологические молекулы, такие как антитела, ДНК, белки или другие биомолекулы, для специфического обнаружения и количественного анализа целевых веществ (анализируемых образцов). Они основаны на принципе биоаффинности, который подразумевает высоко специфическое взаимодействие между биомолекулами и их мишенями[65]. Антитела обладают высокой избирательностью в реакции с антигенами, что можно сравнить с принципом "ключа и замка". Эти молекулы могут быть химически связаны с различными чувствительными компонентами и нанесены на разнообразные поверхности. Их можно разработать для распознавания практически любого биологического элемента, включая белки и РНК. Благодаря этим характеристикам антитела стали незаменимым инструментом в области исследований и диагностики, особенно в приложениях биосенсоров [66]. Хотя эти системы более специфичны и чувствительны, чем ферментные системы, они сталкиваются с ограничениями, поскольку являются сложными и требуют многоступенчатых конфигураций анализа [67]. ДНК-биосенсоры создаются

путем иммобилизации РНК-зондов, последовательность которых комплементарна целевым ДНК-цепочкам. Основой всех биосенсоров, использующих нуклеиновые кислоты, является обнаружение специфических сегментов ДНК или РНК с помощью зондов, имеющих комплементарные последовательности. Это особенно актуально для сенсоров, предназначенных для мониторинга инфекционных заболеваний. Специфичность таких взаимодействий определяется способностью различных нуклеотидов образовывать водородные связи исключительно с их соответствующими комплементарными партнерами [68].

Биосенсоры на основе микробов используют живые микроорганизмы, такие как бактерии или дрожжи, в качестве биологического рецептора для обнаружения различных веществ. Эти сенсоры работают на основе метаболической активности микроорганизмов, которые реагируют на изменения в окружающей среде. Когда целевое вещество взаимодействует с микробами, это вызывает изменения в их метаболизме, которые можно зарегистрировать с помощью различных методов [68]. Микробные биосенсоры обладают высокой чувствительностью и специфичностью, что позволяет им обнаруживать низкие концентрации целевых веществ. Они находят применение в мониторинге качества воды и почвы, обнаружении патогенов в пищевых продуктах и контроле загрязнения окружающей среды. Несмотря на свои преимущества, такие как доступность и возможность самовосстановления, микробные сенсоры также имеют ограничения, включая чувствительность к условиям хранения и необходимость поддержания жизнеспособности микроорганизмов.

1.1.3 Классификация биосенсоров по типу преобразователя

Биосенсоры классифицируются в зависимости от типа сигнала или параметра, который создается или изменяется биологическим событием и из-

меряется преобразователем. Таким образом, биосенсоры можно классифицировать на четыре различных типа в зависимости от методов преобразования, которые они используют: оптические преобразователи, электрохимические преобразователи, механические преобразователи и тепловые преобразователи.

Электрохимические преобразователи функционируют на основе взаимодействия иммобилизованных молекул с целевыми растворами на электрохимическом уровне. При этом происходит образование или разрушение ионов и электронов, что, в свою очередь, влияет на измеряемые электрические параметры раствора, такие как ток или потенциал [69]. Существует несколько методов для обнаружения электрохимических изменений, что позволяет классифицировать эти преобразователи на три основные категории: потенциометрические, амперометрические и кондуктометрические. Каждый из этих подходов имеет свои особенности и области применения, что делает электрохимические преобразователи универсальными инструментами в анализе различных химических веществ и процессов.

Механические преобразователи работают на основе контроля механического напряжения в материалах и колебательного движения с определенной резонансной частотой. При наложении электрического поля на пьезоэлектрический материал, например, кварцевый кристалл, возникает вибрация. Частота этих колебаний зависит от массы, прикрепленной к поверхности осциллятора. Пьезоэлектрические материалы могут генерировать и передавать акустические волны в ответ на механическое воздействие, которое на них оказывается. Когда поверхность пьезоэлектрического сенсора, покрытая биологическим веществом, таким как антитела, помещается в раствор с вирусами или бактериями, связывание этих агентов с антителами приводит к увеличению массы кристалла. Это, в свою очередь, вызывает соответствующий сдвиг частоты, что позволяет обнаруживать целевые моле-кулы[64].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Каид Мохаммед Ракиб Табит Мохаммед, 2024 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Kahle E.R. et al. Targeting cell-matrix interface mechanobiology by integrating AFM with fluorescence microscopy // Progress in Biophysics and Molecular Biology. 2022. Vol. 176. P. 67-81.

2. Shi J. et al. Real-time detecting and tracking nanoscale feeble vibrations based SF-AM AFM // 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). Hamburg: IEEE, 2015. P. 1976-1981.

3. Lostao A. et al. Recent advances in sensing the inter-biomolecular interactions at the nanoscale - A comprehensive review of AFM-based force spectroscopy // International Journal of Biological Macromolecules. 2023. Vol. 238. P. 124089.

4. Dufrene Y.F. et al. AFM in cellular and molecular microbiology // Cellular Microbiology. 2021. Vol. 23, № 7.

5. Каид М.Р.Т.М. et al. Исследование измерения электрического поля в полимере UV resin с использованием интерферометра Фабри-Перо // Сборник статей II Международной научно-практической конференции «Инновации в науке: вызовы и перспективы будущего». Россия, Саратов: НОП «Цифровая наука»., 2024. P. 46-51.

6. Childs P.G. et al. Use of nanoscale mechanical stimulation for control and manipulation of cell behaviour // Acta Biomaterialia. 2016. Vol. 34. P. 159168.

7. Nix Z. et al. Spectral characterization of cell surface motion for mechanistic investigations of cellular mechanobiology // Progress in Biophysics and Molecular Biology. 2022. Vol. 176. P. 3-15.

8. Chaudhary V.S., Kumar D., Kumar S. Gold-Immobilized Photonic Crystal Fiber-Based SPR Biosensor for Detection of Malaria Disease in Human Body // IEEE Sensors J. 2021. Vol. 21, № 16. P. 17800-17807.

9. Chaudhary V.S. et al. Plasmonic Biosensor With Gold and Titanium Dioxide Immobilized on Photonic Crystal Fiber for Blood Composition Detection // IEEE Sensors J. 2022. Vol. 22, № 9. P. 8474-8481.

10. Camporeze B. et al. Optogenetics: the new molecular approach to control functions of neural cells in epilepsy, depression and tumors of the central nervous system // Am J Cancer Res. 2018. Vol. 8, № 10. P. 1900-1918.

11. Grosenick L., Marshel J.H., Deisseroth K. Closed-loop and activity-guided optogenetic control // Neuron. 2015. Vol. 86, № 1. P. 106-139.

12. Segev E. et al. Patterned photostimulation via visible-wavelength photonic probes for deep brain optogenetics // Neurophoton. 2016. Vol. 4, № 01. P. 1.

13. Zorzos A.N., Boyden E.S., Fonstad C.G. Multiwaveguide implantable probe for light delivery to sets of distributed brain targets // Opt. Lett. 2010. Vol. 35, № 24. P. 4133.

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

Wu F. et al. An implantable neural probe with monolithically integrated dielectric waveguide and recording electrodes for optogenetics applications // J. Neural Eng. 2013. Vol. 10, № 5. P. 056012.

Deubner J., Coulon P., Diester I. Optogenetic approaches to study the mammalian brain // Current Opinion in Structural Biology. 2019. Vol. 57. P. 157— 163.

Nakamura T. et al. Increased intracellular Ca2+ concentration in the hippo-campal CA1 area during global ischemia and reperfusion in the rat: a possible cause of delayed neuronal death // Neuroscience. 1999. Vol. 88, № 1. P. 5767.

Bradley P.M.J. et al. A micro-optrode for simultaneous extracellular electrical and intracellular optical recording from neurons in an intact oscillatory neuronal network // Journal of Neuroscience Methods. 2008. Vol. 168, № 2. P. 383-395.

LeChasseur Y. et al. A microprobe for parallel optical and electrical recordings from single neurons in vivo // Nat Methods. 2011. Vol. 8, № 4. P. 319325.

Anikeeva P. et al. Optetrode: a multichannel readout for optogenetic control in freely moving mice // Nat Neurosci. 2012. Vol. 15, № 1. P. 163-170. Kim E.G.R. et al. 3D silicon neural probe with integrated optical fibers for optogenetic modulation // Lab Chip. 2015. Vol. 15, № 14. P. 2939-2949. Sileo L. et al. Tapered Fibers Combined With a Multi-Electrode Array for Optogenetics in Mouse Medial Prefrontal Cortex // Front. Neurosci. 2018. Vol. 12. P. 771.

Spagnolo B. et al. Tapered fibertrodes for optoelectrical neural interfacing in small brain volumes with reduced artefacts // Nat. Mater. 2022. Vol. 21, № 7. P. 826-835.

Pisano F. et al. Depth-resolved fiber photometry with a single tapered optical fiber implant // Nat Methods. 2019. Vol. 16, № 11. P. 1185-1192. Keiser G. et al. Review of diverse optical fibers used in biomedical research and clinical practice // J. Biomed. Opt. 2014. Vol. 19, № 8. P. 080902. Каид М.Р.Т.М. et al. Биосенсор на основе усовершенствованного микрофлюидного оптического эталона Фабри-Перо для выявления биологических веществ в жидкостях с измерением показателя преломления // Сборник статей III Международной научно-практической конференции «Инновации в науке и технике: современные вызовы». г. Москва: Международный научно-издательский центр «Твоя наука», 2024. P. 76-81. Pan X. et al. Highly sensitive Temperature Sensor of Fiber Bragg Grating on PbS-doped Silica Optical Fiber // 26th International Conference on Optical Fiber Sensors (2018), paper ThE1. Optica Publishing Group, 2018. P. ThE1. Ruan J. et al. High-sensitivity temperature sensor based on long-period fiber grating // Optoelectron. Lett. 2008. Vol. 4, № 2. P. 114-116.

28. Grattan K.T.V., Zhang Z.Y. Fiber Optic Fluorescence Thermometry // Topics in Fluorescence Spectroscopy: Probe Design and Chemical Sensing / ed. Lakowicz J.R. Boston, MA: Springer US, 1994. P. 335-376.

29. Li J., Zhang M. Physics and applications of Raman distributed optical fiber sensing: 1 // Light Sci Appl. Nature Publishing Group, 2022. Vol. 11, № 1. P. 128.

30. Lee C.E., Taylor H.F. Fiber-optic Fabry-Perot temperature sensor using a low-coherence light source // Journal of Lightwave Technology. 1991. Vol. 9, № 1. P. 129-134.

31. Cortés R. et al. Interferometric fiber-optic temperature sensor with spiral polarization couplers // Optics Communications. 1998. Vol. 154, № 5. P. 268272.

32. Hou L. et al. Highly sensitive PDMS-filled Fabry-Perot interferometer temperature sensor based on the Vernier effect // Appl. Opt., AO. Optica Publishing Group, 2019. Vol. 58, № 18. P. 4858-4865.

33. Chen X. et al. High-finesse Fabry-Perot cavities with bidimensional Si3N4 photonic-crystal slabs // Light Sci Appl. 2017. Vol. 6, № 1. P. e16190.

34. Chen P. et al. Cascaded-Cavity Fabry-Perot Interferometric Gas Pressure Sensor based on Vernier Effect // Sensors. 2018. Vol. 18, № 11. P. 3677.

35. Luo C. et al. An Optimized PDMS Thin Film Immersed Fabry-Perot Fiber Optic Pressure Sensor for Sensitivity Enhancement: 5 // Coatings. Multidis-ciplinary Digital Publishing Institute, 2019. Vol. 9, № 5. P. 290.

36. Cheng X. et al. Silicone Rubber Based Highly Sensitive Fiber-Optic Fabry-Perot Interferometric Gas Pressure Sensor: 17 // Sensors. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2020. Vol. 20, № 17. P. 4927.

37. Chen Z. et al. High-Temperature Sensor Based on Fabry-Perot Interferometer in Microfiber Tip: 1 // Sensors. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2018. Vol. 18, № 1. P. 202.

38. Liu G., Han M., Hou W. High-resolution and fast-response fiber-optic temperature sensor using silicon Fabry-Pérot cavity // Opt. Express, OE. Optica Publishing Group, 2015. Vol. 23, № 6. P. 7237-7247.

39. Zhang J. et al. Ultrasensitive Temperature Sensor With Cascaded Fiber Optic Fabry-Perot Interferometers Based on Vernier Effect // IEEE Photonics Journal. 2018. Vol. 10, № 5. P. 1-11.

40. Cao K., Liu Y., Qu S. Compact fiber biocompatible temperature sensor based on a hermetically-sealed liquid-filling structure // Opt. Express, OE. Optica Publishing Group, 2017. Vol. 25, № 24. P. 29597-29604.

41. Morozov O.G., Sakhabutdinov A.J. Addressed fiber bragg structures in quasi-distributed microwave-photonic sensor systems: 4 // Comput. Opt. Institution of Russian Academy of Sciences, 2019. Vol. 43, № 4. P. 535-543.

42. Misbakhov R.S. et al. Address fiber optical sensor for relative humidity measuring in a switchgear // Proc SPIE Int Soc Opt Eng / ed. Andreev V.A. et al. SPIE, 2020. Vol. 11516.

43. Agliullin T.A. et al. Addressed FBG-structures for tire strain measurement // Proc SPIE Int Soc Opt Eng / ed. Andreev V.A. et al. SPIE, 2019. Vol. 11146. P. 6.

44. Agliullin T. et al. Addressed Fiber Bragg Structures in Load-Sensing Wheel Hub Bearings: 21 // Sensors. Multidisciplinary Digital Publishing Institute,

2020. Vol. 20, № 21. P. 6191.

45. Kuznetsov A.A., Nureev I.I., Lipatnikov K.A. Fiber Optic Sensors with Polarization Multiplexing Based on Addressed Fiber Bragg Gratings // 2020 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications. 2020. P. 1-5.

46. Шагидуллин А.Р. et al. Постановка задач проектирования волоконно-оптических комбинированных датчиков и многосенсорных системдля регионального мониторинга концентрации парниковых газов // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ, 2022. Vol. Выпуск 4. P. Pages 5267.

47. Koo K.P. et al. Fiber-chirped grating Fabry-Perot sensor with multiple-wavelength-addressable free-spectral ranges: 7 // IEEE photonics technology letters. IEEE, 1998. Vol. 10, № 7. P. 1006-1008.

48. Sun Q. et al. High capacity fiber optic sensor networks using hybrid multiplexing techniques and their applications // 2013 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optical Sensors and Applications. SPIE, 2013. Vol. 9044. P. 142-151.

49. A.R. Nasybullin et al. Multi-sensor temperature and humidity measuring system for technological process of organic livestock waste microwave treatment monitoring. 2021.

50. Miao Y. et al. Relative Humidity Sensor Based on Tilted Fiber Bragg Grating With Polyvinyl Alcohol Coating // IEEE Photonics Technology Letters. 2009. Vol. 21, № 7. P. 441-443.

51. Yamada M., Sakuda K. Analysis of almost-periodic distributed feedback slab waveguides via a fundamental matrix approach // Appl. Opt., AO. Optica Publishing Group, 1987. Vol. 26, № 16. P. 3474-3478.

52. Agrawal G.P., Radic S. Phase-shifted fiber Bragg gratings and their application for wavelength demultiplexing // IEEE Photonics Technology Letters. 1994. Vol. 6, № 8. P. 995-997.

53. Vaughan J.M. The Fabry-Perot Interferometer: History, Theory, Practice and Applications. New York: Routledge, 2017. 604 p.

54. Marques D.M. et al. Angular Airy function: a model of Fabry-Perot etalons illuminated by arbitrary beams // Opt. Express, OE. Optica Publishing Group,

2021. Vol. 29, № 15. P. 24144-24150.

55. Smith J.W. et al. Three-dimensional Fabry-Perot cavities sculpted on fiber tips using a multiphoton polymerization process // J. Micromech. Microeng. IOP Publishing, 2020. Vol. 30, № 12. P. 125007.

56. OptiGrating Overview [Electronic resource] // Optiwave. URL: https://opti-wave.com/optigrating-overview/ (accessed: 03.06.2022).

57. Fleming G.A., Gorton S.A. Measurement of rotorcraft blade deformation using projection moire interferometry / ed. Tomasini E.P. Ancona, Italy, 1998. P. 514-527.

58. Sakhabutdinov A.Zh. et al. Fano-type resonance structures based on combination of fiber Bragg grating with Fabry-Perot interferometer // Karbala International Journal of Modern Science. 2023. Vol. 9, № 1.

59. Аглиуллин Т.А. et al. Спектр Отражения Комбинированной Структуры, Состоящей Из Волоконной Брэгговской Решетки С Торцевым Резонатором Фабри - Перо // Вестник Казанского Государственного Технического Университета Им. А.н. Туполева. 2022. Vol. 78, № 3.

60. Sadani K. et al. Enzymatic optical biosensors for healthcare applications // Biosensors and Bioelectronics: X. 2022. Vol. 12. P. 100278.

61. Takaloo S., Moghimi Zand M. Wearable electrochemical flexible biosensors: With the focus on affinity biosensors // Sensing and Bio-Sensing Research. 2021. Vol. 32. P. 100403.

62. Moraskie M. et al. Microbial whole-cell biosensors: Current applications, challenges, and future perspectives // Biosensors and Bioelectronics. 2021. Vol. 191. P. 113359.

63. Badigannavar A., Girish G., Ganapathi T.R. Genetic variation for seed phosphorus and yield traits in Indian sorghum landraces and varieties // The Crop Journal. 2015. Vol. 3, № 4. P. 358-365.

64. Dar, T. "Numerical characterisation of label free optical biosensors." PhD diss., City University London, 2015.

65. Cooper M.A. Optical biosensors: where next and how soon? // Drug Discovery Today. 2006. Vol. 11, № 23-24. P. 1061-1067.

66. Vo-Dinh T. et al. Antibody-Based Fiberoptics Biosensor for the Carcinogen Benzo(a)pyrene // Appl. Spectrosc., AS. Society for Applied Spectroscopy, 1987. Vol. 41, № 5. P. 735-738.

67. Vo-Dinh T. et al. Phase-Resolved Fiber-Optics Fluoroimmunosensor // Appl. Spectrosc., AS. Society for Applied Spectroscopy, 1990. Vol. 44, № 1. P. 128-132.

68. Smith L.M. et al. Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis // Nature. 1986. Vol. 321, № 6071. P. 674-679.

69. Yotter, R.A. and Wilson, D.M., 2004. Sensor technologies for monitoring metabolic activity in single cells-part II: nonoptical methods and applications. IEEE Sensors Journal, 4(4), pp.412-429.

70. Balasingam J.A. et al. Chemical Sensors: Acoustic Gas Sensors // Encyclopedia of Sensors and Biosensors. Elsevier, 2023. P. 209-225.

71. Bunde R.L., Jarvi E.J., Rosentreter J.J. Piezoelectric quartz crystal biosensors // Talanta. 1998. Vol. 46, № 6. P. 1223-1236.

72. Zheng Y.-H. et al. Detection of dichlorvos residue by flow injection calori-metric biosensor based on immobilized chicken liver esterase // Journal of Food Engineering. 2006. Vol. 74, № 1. P. 24-29.

73. Parassol B.G. et al. Biosensors for amplification-free viral RNA detection // Biosensors and Bioelectronics: X. 2024. Vol. 18. P. 100478.

74. Ribaut C. et al. Small biomolecule immunosensing with plasmonic optical fiber grating sensor // Biosensors and Bioelectronics. 2016. Vol. 77. P. 315322.

75. Zheng W. et al. A plug-and-play optical fiber SPR sensor for simultaneous measurement of glucose and cholesterol concentrations // Biosensors and Bioelectronics. 2022. Vol. 198. P. 113798.

76. Li Z. et al. Label-free detection of bovine serum albumin based on an in-fiber Mach-Zehnder interferometric biosensor // Opt. Express. 2017. Vol. 25, № 15. P. 17105.

77. Sahu S., Kozadaev K.V., Singh G. Michelson Interferometer Based Refractive Index Biosensor // 13th International Conference on Fiber Optics and Photonics. Kharagpur: OSA, 2016. P. Th3A.60.

78. Tang S. et al. Fabry-Perot Interferometer Based on a Fiber-Tip Fixed-Supported Bridge for Fast Glucose Concentration Measurement // Biosensors. 2022. Vol. 12, № 6. P. 391.

79. Li X. et al. High-sensitivity Sagnac-interferometer biosensor based on exposed core microstructured optical fiber // Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. Vol. 269. P. 103-109.

80. Vicente A. et al. Lossy mode resonance sensors based on nanocoated multi-mode-coreless-multimode fibre // Sensors and Actuators B: Chemical. 2020. Vol. 304. P. 126955.

81. Islam Md.S. et al. Localized surface plasmon resonance biosensor: an improved technique for SERS response intensification // Opt. Lett. 2019. Vol. 44, № 5. P. 1134.

82. Каид М.Р.Т.М. et al. Перспективы использования волоконно-оптических датчиков в качестве чувствительных элементов для контроля концентрации // Сборник статей III Международной научно-практической конференции «Инновации в науке и технике: современные вызовы». г. Москва: Международный научно-издательский центр «Твоя наука», 2024. P. 86-92.

83. Li B. et al. Applications of Optical Fiber in Label-Free Biosensors and Bi-oimaging: A Review // Biosensors. 2022. Vol. 13, № 1. P. 64.

84. Василец А.А. et al. Волоконно-оптические датчики на основе вытравленных решёток брэгга. Поволжский государственный технологический университет, 2014. P. 145-146.

85. Василец А.А., Морозов О.Г. Методы построения и сбора информации в волоконно-оптических датчиках с вытравленной оболочкой. 2014. P. 114-118.

86. Agliullin T. et al. Multicast Fiber Bragg Structures in Microwave Photonics Sensor Systems // PTU. 2020. Vol. 6, № 1. P. 6-13.

87. Shaimerdenova M. et al. Interrogation of coarsely sampled tilted fiber Bragg grating (TFBG) sensors with KLT // Opt. Express. 2017. Vol. 25, № 26. P. 33487.

88. Li D., Gong Y., Wu Y. Tilted fiber Bragg grating in graded-index multimode fiber and its sensing characteristics // Photonic Sens. 2013. Vol. 3, № 2. P. 112-117.

89. Каид М.Р.Т.М. et al. Улучшение точности волоконно-оптических температурных датчиков с использованием нейронных сетей // Сборник статей III Международной научно-практической конференции «Инновации в науке и технике: современные вызовы». г. Москва: Международный научно-издательский центр «Твоя наука», 2024. P. 82-85.

90. Варжель С.В. Волоконные брэгговские решетки. Санкт-Петербург: СПб: Университет ИТМО, 2015. 65 p.

91. Bekmurzayeva A. et al. Etched Fiber Bragg Grating Biosensor Functional-ized with Aptamers for Detection of Thrombin // Sensors. 2018. Vol. 18, № 12. P. 4298.

92. Валеев Б.И., Аглиуллин Т.А., Сахабутдинов А.Ж. Метод уточнения частотного сдвига спектра, полученного при низком разрешении анализатора // Приборы и техника эксперимента. 2023. № 5. P. 78-83.

93. Kavitha B.S. et al. Etched Fiber Bragg Grating Sensor for Quantification of DNA // IEEE Sensors J. 2021. Vol. 21, № 2. P. 1588-1595.

94. Lu H. et al. Study on spectral and refractive index sensing characteristics of etched excessively tilted fiber gratings // Appl. Opt., AO. Optical Society of America, 2018. Vol. 57, № 10. P. 2590-2596.

95. Sypabekova M. et al. Functionalized etched tilted fiber Bragg grating ap-tasensor for label-free protein detection // Biosensors and Bioelectronics. 2019. Vol. 146. P. 111765.

96. Chen X. et al. In-Situ Detection of Small Biomolecule Interactions Using a Plasmonic Tilted Fiber Grating Sensor // J. Lightwave Technol. 2019. Vol. 37, № 11. P. 2792-2799.

97. Lobry M. et al. Non-enzymatic D-glucose plasmonic optical fiber grating biosensor // Biosensors and Bioelectronics. 2019. Vol. 142. P. 111506.

98. Chen X. et al. Study on a Plasmonic Tilted Fiber Grating-Based Biosensor for Calmodulin Detection // Biosensors. 2021. Vol. 11, № 6. P. 195.

99. James S.W., Tatam R.P. Optical fibre long-period grating sensors: characteristics and application // Meas. Sci. Technol. 2003. Vol. 14, № 5. P. R49-R61.

100. Wu J.-W., Chiang C.-C. Notched Long-Period Fiber Grating with an Amine-Modified Surface Nanostructure for Carbon Dioxide Gas Sensing // Materials. 2015. Vol. 8, № 7. P. 4535-4543.

101. Xu B. et al. Graphene oxide-functionalized long period fiber grating for ul-trafast label-free glucose biosensor // Materials Science and Engineering: C.

2020. Vol. 107. P. 110329.

102.Esposito F. et al. Long period grating in double cladding fiber coated with graphene oxide as high-performance optical platform for biosensing // Biosensors and Bioelectronics. 2021. Vol. 172. P. 112747.

103.Esposito F. et al. Label-free detection of vitamin D by optical biosensing based on long period fiber grating // Sensors and Actuators B: Chemical.

2021. Vol. 347. P. 130637.

104. Wang R. et al. Highly sensitive label-free biosensor based on graphene-oxide functionalized micro-tapered long period fiber grating // Optical Materials. 2020. Vol. 109. P. 110253.

105.Calvo-Lozano O. et al. Label-Free Plasmonic Biosensor for Rapid, Quantitative, and Highly Sensitive COVID-19 Serology: Implementation and Clinical Validation // Anal. Chem. 2022. Vol. 94, № 2. P. 975-984.

106. Homola Jir. Present and future of surface plasmon resonance biosensors // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2003. Vol. 377, № 3. P. 528-539.

107. Zhao Y. et al. Current status of optical fiber biosensor based on surface plas-mon resonance // Biosensors and Bioelectronics. 2019. Vol. 142. P. 111505.

108.Arghir I. et al. Smart design of fiber optic surfaces for improved plasmonic biosensing // New Biotechnology. 2015. Vol. 32, № 5. P. 473-484.

109. Li X. et al. Plug-in optical fiber SPR biosensor for lung cancer gene detection with temperature and pH compensation // Sensors and Actuators B: Chemical. 2022. Vol. 359. P. 131596.

110.Culshaw B. The optical fibre Sagnac interferometer: an overview of its principles and applications // Meas. Sci. Technol. 2006. Vol. 17, № 1. P. R1-R16.

111. Liu X. et al. Tunable and switchable triple-wavelength ytterbium-doped fiber ring laser based on Sagnac interferometer with a polarization-maintaining photonic crystal fiber // Optics & Laser Technology. 2020. Vol. 122. P. 105848.

112. Gao S. et al. High-sensitivity DNA biosensor based on microfiber Sagnac interferometer // Opt. Express. 2017. Vol. 25, № 12. P. 13305.

113. Song B. et al. Side-hole-fiber based microfluidic biosensor for label-free DNA hybridization kinetics detection // 26th International Conference on Optical Fiber Sensors. Lausanne: OSA, 2018. P. WD2.

114. Chen G.Y. et al. Photodetector based on Vernier-Enhanced Fabry-Perot Interferometers with a Photo-Thermal Coating // Sci Rep. 2017. Vol. 7, № 1. P. 41895.

115. Yuan L. et al. In-fiber integrated Michelson interferometer // Opt. Lett. 2006. Vol. 31, № 18. P. 2692.

116. Wang Y.R. et al. Reflection-Based Thin-Core Modal Interferometry Optical Fiber Functionalized With PAA-PBA/PVA for Glucose Detection Under Physiological pH // J. Lightwave Technol. 2019. Vol. 37, № 11. P. 27732777.

117.Wysokinski K. et al. Dual-core all-fiber integrated immunosensor for detection of protein antigens // Biosensors and Bioelectronics. 2018. Vol. 114. P. 22-29.

118. Hu X. et al. In-fiber optofluidic michelson interferometer for detecting small volume and low concentration chemicals with a fiber ring cavity laser // Sensors and Actuators B: Chemical. 2022. Vol. 370. P. 132467.

119. Yang X. et al. Optofluidic twin-core hollow fiber interferometer for labelfree sensing of the streptavidin-biotin binding // Sensors and Actuators B: Chemical. 2018. Vol. 277. P. 353-359.

120. Аглиуллин Т.А. et al. Единая унифицированная платформа волоконно-оптических измерительных систем на основе комбинированных резонансных структур // VI Научный форум «Телекоммуникации: теория и технологии» ТТТ-2023. Казань: Изд-во КНИТУ-КАИ, 2023. Vol. 2. P. 713.

121. Fabry C., Pérot A. Sur les franges des lames minces argentées et leur application à la mesure de petites épaisseurs d'air // Ann. Chim. Phys. 1897. Vol. 12. P. 459-501.

122.Rao Y.-J., Ran Z.-L., Gong Y. Fiber-Optic Fabry-Perot Sensors: An Introduction. 1st ed. Boca Raton, FL : CRC Press, Taylor & Francis Group, [2017]: CRC Press, 2017.

123.Islam Md.R. et al. Chronology of Fabry-Perot Interferometer Fiber-Optic Sensors and Their Applications: A Review // Sensors. 2014. Vol. 14, №2 4. P. 7451-7488.

124.Ermakova Y.G. et al. Thermogenetic neurostimulation with single-cell resolution // Nat Commun. 2017. Vol. 8, № 1. P. 15362.

125.Ando M. et al. Dependence of Fiber Bragg Grating Characteristics on its Length // Jpn. J. Appl. Phys. 2004. Vol. 43, № 7R. P. 4234.

126. Hussein S.M.R.H. et al. Applicability limits of the end face fiber-optic gas concentration sensor, based on Fabry-Perot interferometer // Karbala International Journal of Modern Science. 2022. Vol. 8, № 3. P. 339-355.

127.Romshin A.M. et al. A new approach to precise mapping of local temperature fields in submicrometer aqueous volumes // Sci Rep. 2021. Vol. 11, № 1. P. 14228.

128. Ma W. et al. CO2 Gas Sensing Using Optical Fiber Fabry-Perot Interferometer Based on Polyethyleneimine/Poly(Vinyl Alcohol) Coating // IEEE Photonics J. 2017. Vol. 9, № 3. P. 1-8.

129. Shivananju B.N. et al. CO2 sensing at room temperature using carbon nano-tubes coated core fiber Bragg grating // Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics, 2013. Vol. 84, № 6. P. 065002.

130.Kazanskiy N.L., Butt M.A., Khonina S.N. Carbon Dioxide Gas Sensor Based on Polyhexamethylene Biguanide Polymer Deposited on Silicon Nano-Cyl-inders Metasurface: 2 // Sensors. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2021. Vol. 21, № 2. P. 378.

131. Jáuregui-Vázquez D. et al. An All Fiber Intrinsic Fabry-Perot Interferometer Based on an Air-Microcavity // Sensors. 2013. Vol. 13, № 5. P. 6355-6364.

132. Каид М.Р.Т.М. et al. Интегрированный волоконно-оптический датчик Фабри-Перо и волоконной Брэгговской решетки для улучшенного измерения температуры // Сборник статей II Международной научно-практической конференции «Инновации в науке: вызовы и перспективы будущего». Россия, Саратов: НОП «Цифровая наука»., 2024. P. 38-45.

133.Morozov O. et al. Addressed Combined Fiber-Optic Sensors as Key Element of Multisensor Greenhouse Gas Monitoring Systems // Sensors. 2022. Vol. 22, № 13. P. 4827.

134.Morozov O. et al. Multi-Addressed Fiber Bragg Structures for Microwave-Photonic Sensor Systems: 9 // Sensors. MDPI AG, 2020. Vol. 20, № 9. P. 2693.

135. Каид М.Р.Т.М. et al. Радиофотонные сенсорные системы на основе интерферометра Фабри-Перо и адресных волоконных Брэгговских структур для улучшенного измерения температуры // Сборник статей II Международной научно-практической конференции «Инновации в науке: вызовы и перспективы будущего». Россия, Саратов: НОП «Цифровая наука», 2024. P. 52-58.

136.Трибельский М.И. Резонансы Фано в квантовой и классической механике: учебное пособие. Москва: МГТУ МИРЭА, 2012. 1 p.

137. Campanella C.E. et al. Mode-splitting cloning in birefringent fiber Bragg grating ring resonators // Opt. Lett., OL. Optical Society of America, 2016. Vol. 41, № 12. P. 2672-2675.

138.Campanella C.E. et al. Localized strain sensing with fiber Bragg-grating ring cavities // Opt. Express, OE. Optical Society of America, 2013. Vol. 21, № 24. P. 29435-29441.

139. Ходжанепесов К.А. et al. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ КОМПЛЕК-СИРОВАННОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДЛЯ МОНИТОРИНГА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ: 2 // Электроника, фотоника и киберфизические системы. 2023. Vol. 3, № 2. P. 55-67.

140.Qaid M.R.T.M. et al. A Comparative Study of Tapering Methods and Transfer Characteristics in Fabry-Perot Interferometric Applications // Proceedings of the 2024 International Conference on Green Energy, Computing and Sustainable Technology (GECOST). Miri Sarawak, Malaysia: IEEE, 2024. P. 14.

141. Аглиуллин Т. А. et al. Моделирование спектра отражения волоконных брэгговских решеток как структурного элемента комбинированных волоконно-оптических датчиков // Электроника, фотоника и киберфизи-ческие системы. 2022. Vol. 2, № 3. P. 46-61.

142. Аглиуллин Т.А. et al. Волоконно-оптический датчик температуры на основе стеклянного интерферометра Фабри - Перо // Прикладная фотоника. 2023. Vol. 10, № 5. P. 58-74.

143.Сахабутдинов А.Ж. et al. Основы математического моделирования волоконно-оптических структур: учебное пособие. под ред. докт. техн. наук О.Г. Морозова. Казань: КНИТУ-КАИ, 2023. 156 p.

144.Morozov O. et al. Development and Application of a High-sensitivity Acoustic Sensor Based on Open Cavity Fabry-Perot Interferometer // Science and Technology - Recent Updates and Future Prospects Vol. 6 / ed. Jakobczak Dr.D.J. B P International, 2024. P. 90-118.

145.Hussein S.M.R.H. et al. Prospects for the Use of Fiber-Optic Sensors as Sensitive Elements for Concentration Control // Proceedings of the 4th International Scientific Conference/7th National Scientific Conference (ISC-SNC). Babylon, Iraq: Hilla University College in Hilla, Babylon Iraq, 2023. P. 1203.

146. Аглиуллин Т.А. et al. Сравнительный анализ методов моделирования спектра волоконных брэгговских решеток // Электроника, фотоника и киберфизические системы. 2023. Vol. 3, № 1. P. 13-28.

147. Agliullin T. et al. Comparative Analysis of the Methods for Fiber Bragg Structures Spectrum Modeling // Algorithms. 2023. Vol. 16, № 2. P. 101.

148. Rothschild L.J., Mancinelli R.L. Life in extreme environments // Nature. 2001. Vol. 409, № 6823. P. 1092-1101.

149.Kim H.S., Jun S.W., Ahn Y.H. Developing a Novel Terahertz Fabry-Perot Microcavity Biosensor by Incorporating Porous Film for Yeast Sensing // Sensors. 2023. Vol. 23, № 13. P. 5797.

150. Corning® SMF- 28e+® Optical Fiber Product Information [электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.corning. com/media/worldwide/csm/documents/Corning%20 S MF28e%2B%C2%AE%20Photonic%20Specialty%20Fiber.pdf - свободный. (дата обращения 01.07.2024)..

151. Нуреев, И.И., 2016. Радиофотонные полигармонические системы интер-рогации комплексированных датчиков на основе волоконных брэгговских решеток. Часть 2. Единое поле комплексированных датчиков. Прикладная фотоника, 3(3), pp.221-251.

152.Makarov R. et al. Enhancing Microwave Photonic Interrogation Accuracy for Fiber-Optic Temperature Sensors via Artificial Neural Network Integration: 2 // Optics. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2024. Vol. 5, № 2. P. 223-237.

153. Liu S. et al. High-sensitivity strain sensor based on in-fiber improved Fabry-Perot interferometer // Opt. Lett. 2014. Vol. 39, № 7. P. 2121.

154. Li Z. et al. High-Sensitivity Gas Pressure Fabry-Perot Fiber Probe With Micro-Channel Based on Vernier Effect // J. Lightwave Technol. 2019. Vol. 37, № 14. P. 3444-3451.

155.Hegde G., Asokan S., Hegde G. Fiber Bragg grating sensors for aerospace applications: a review // ISSS J Micro Smart Syst. 2022. Vol. 11, № 1. P. 257-275.

156.Tosi D. Review and Analysis of Peak Tracking Techniques for Fiber Bragg Grating Sensors: 10 // Sensors. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2017. Vol. 17, № 10. P. 2368.

157.Kou J.-L. et al. Microfiber-Based Bragg Gratings for Sensing Applications: A Review // Sensors (Basel). 2012. Vol. 12, № 7. P. 8861-8876.

158.Othonos A. Fiber Bragg gratings // Review of Scientific Instruments. American Institute of Physics, 1997. Vol. 68, № 12. P. 4309-4341.

159.Morozov O.G. Fiber-optic sensor of thermal field distribution in work chambers of microwave process installations. 2002. P. 569-570.

160.Morozov O.G. et al. Fiber-optic Bragg sensors with special spectrum shapes for climatic test systems. 2017. Vol. 10342.

161. Anfinogentov V. et al. Algorithm of FBG Spectrum Distortion Correction for Optical Spectra Analyzers with CCD Elements: 8 // Sensors. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2021. Vol. 21, № 8. P. 2817.

162. Sakhabutdinov A.Zh., Nureev I.I., Morozov O.G. Clarification of the central wavelength FBG position in a poor signal-to-noise ratio conditions (in Russian) // Physics of Wave Processes and Radio Systems. 2015. Vol. 18, № 32. P. 98-102.

163. Morozov O.G. et al. Fitting the central wave length of fiber bragg gratings in the conditions of small resolution ability of the optical spectrum analyzer and fluctuating level of optical signal power // Vestnik NTsBZhD. 2020. Vol. 2, № 44. P. 150-166.

164. Валеев Б.И. et al. Высокочувствительный оптоволоконный микрофон на основе интерферометра Фабри-Перо, сформированного внутри открытой полости на торце оптического волокна // Сборник трудов международной научной конференции (Школа молодых ученых), посвященной сотрудничеству с союзными государствами. Казань, 2023. ИП Сагиев А.Р., 2023. P. 127-130.

165.Othonos A., Kalli K. Fiber Bragg gratings: Fundamentals and applications in telecommunications and sensing. Illustrated edition. Boston, Mass: Artech House Print on Demand, 1999. 433 p.

166. Sultanova N., Kasarova S., Nikolov I. Dispersion Properties of Optical Polymers // Acta Phys. Pol. A. 2009. Vol. 116, № 4. P. 585-587.

167.Liu S. et al. Measurement of the refractive index of whole blood and its components for a continuous spectral region // J. Biomed. Opt. 2019. Vol. 24, № 03. P. 1.

168.Rowe D., Smith D., Wilkinson J. Dataset - Complex refractive index spectra of whole blood and aqueous solutions of anticoagulants, analgesics and buffers in the mid-infrared. University of Southampton, 2017.

169. Liu, Yang Patricia. "Refractive Index Distribution of Single Cell and Bacterium Usingan Optical Diffraction Tomography System." PhD diss., Université Paris-Est, 2016.

170. Zhang X. et al. Complex refractive indices measurements of polymers in visible and near-infrared bands // Appl. Opt. 2020. Vol. 59, № 8. P. 2337.

171.Kharchenko V., Dalgarno A. Refractive index for matter waves in ultracold gases // Phys. Rev. A. 2001. Vol. 63, № 2. P. 023615.

172.Evtushenko A.S. et al. Technique for writing of fiber Bragg gratings over or near preliminary formed macro-structure defects in silica optical fibers. 2017. Vol. 10342.

173. Agliullin T. et al. Overview of Addressed Fiber Bragg Structures' Development // Photonics. 2023. Vol. 10, № 2. P. 175.

174. Wang W. et al. Measurements of thermo-optic coefficient of standard single mode fiber in large temperature range / ed. Zhang X. et al. Beijing, China, 2015. P. 96200Y.

175. Мальцев А. В et al. Простое радиофотонное устройство для измерения мгновенной частоты множества СВЧ-сигналов на основе симметричного неплоского генератора гребенки: 5 // Приборы и техника эксперимента. 2023. № 5. P. 32-39.

176. Исмаилов Т.А. et al. Прецизионный Компенсационный Датчик Температуры На Основе Дискретных Термоэлектрических Устройств // Датчики И Системы. 2019. № 3 (234).

177. Кузнецов А.А. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РАДИОФОТОННОГО ВЕКТОРНОГО АНАЛИЗА НА ОСНОВЕ СВЕРХУЗКОПОЛОСНОГО ПАКЕТА ДИСКРЕТНЫХ ЧАСТОТ КАК НОВОГО ТИПА ЗОНДИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ: ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук. Казань: КНИТУ-КАИ, 2021. 330 p.

178. Морозов О.Г., Сахабутдинов А.Ж. Радиофотонные Сенсорные Системы На Адресных Волоконных Брэгговских Структурах. Уфимский государственный авиационный технический университет, 2018. P. 10-15.

179. Губайдуллин Р.Р., Морозов О.Г. Моделирование Многоадресной Волоконной Брэгговской Структуры С Помощью Гаусс Подобной Функции // Фотон-Экспресс. 2021. № 6 (174).

180. Макаров Р.А. et al. Нейросетевые алгоритмы как ключ к повышению точности радиофотонных методов опроса оптоволоконных датчиков температуры // Фотон-Экспресс. 2024. Vol. 2, № 194. P. 12-16.

181.Hill, K.O., Fujii, Y., Johnson, D.C. and Kawasaki, B.S., 1978. Photosensitivity in optical fiber waveguides: Application to reflection filter fabrication. Applied physics letters, 32(10), pp.647-649.

182. Martinez C., Ferdinand P. Analysis of phase-shifted fiber Bragg gratings written with phase plates // Appl. Opt., AO. Optica Publishing Group, 1999. Vol. 38, № 15. P. 3223-3228.

183.Teh P.C. et al. Phase encoding and decoding of short pulses at 10 Gb/s using superstructured fiber Bragg gratings // IEEE Photon. Technol. Lett. 2001. Vol. 13, № 2. P. 154-156.

184. Zhu C., Wang L., Li H. Phase-Inserted Fiber Gratings and Their Applications to Optical Filtering, Optical Signal Processing, and Optical Sensing: Review // Photonics. 2022. Vol. 9, № 4. P. 271.

185. Hussein S. et al. All-glass fiber-optic end face microthermometer // Международный научно-исследовательский журнал. Cifra LLC, 2023. Vol. 11, № 137. P. 8.

186.Fonbriun P. Metody mikromanipuliatsii. Moscow: Inostrannaia literatura, 1951, 168 p.

187. Sutter instrument company - P-97 flaming/brown micropipette puller, available at: https://www.sutter.com/MICROPIPETTE/p-97.html (accessed 28 July 2023).

188.Morozov O. et al. Fiber-Optic Hydraulic Sensor Based on an End-Face Fabry-Perot Interferometer with an Open Cavity // Photonics. 2024. Vol. 11, № 1. P. 22.

189. Дашков М.В., Сахабутдинв А.Ж., Белов Э.В. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЗОНДОВ МЕТОДОМ ПЕРЕТЯЖКИ // Электроника, фотоника и ки-берфизические системы. 2023. Vol. 3, № 3. P. 71-78.

190. Genetically engineered and optical probes for biomedical applications IV: 23-24 January 2007, San Jose, California, USA / ed. Achilefu S., Society of Photo-optical Instrumentation Engineers. Bellingham, Wash: SPIE, 2007. 1 p.

191.Novais S., Ferreira M.S., Pinto J.L. Optical Fiber Fabry-Perot Tip Sensor for Detection of Water-Glycerin Mixtures // J. Lightwave Technol. 2018. Vol. 36, № 9. P. 1576-1582.

192.Chirvi S., Dave D.P. Distributed interferometric fiber tip biosensors for a multi-channel and label-free biomolecular interaction analysis // Appl. Opt. 2023. Vol. 62, № 32. P. 8535.

193. Wang Q., Jing J.-Y., Wang B.-T. Highly Sensitive SPR Biosensor Based on Graphene Oxide and Staphylococcal Protein A Co-Modified TFBG for Human IgG Detection // IEEE Trans. Instrum. Meas. 2019. Vol. 68, № 9. P. 3350-3357.

194.Liu B. et al. Label-free and selective heparin detection by surface functional-ized fiber Fabry-Perot interferometer biosensor // Optical Fiber Technology. 2024. Vol. 84. P. 103770.

195. Zhao Y. et al. Plug-and-Play Fabry-Perot interferometric biosensor with Vernier effect for label-free detection of bovine serum albumin // Sensors and Actuators B: Chemical. 2024. Vol. 416. P. 135999.

196. Zhang T. et al. A polymer nanostructured Fabry-Perot interferometer based biosensor // Biosensors and Bioelectronics. 2011. Vol. 30, № 1. P. 128-132.

197. Qiu H. et al. Fiber-optic immunosensor based on a Fabry-Perot interferometer for single-molecule detection of biomarkers // Biosensors and Bioelectronics. 2024. Vol. 255. P. 116265.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Акт внедрения в научную деятельность

УТВЕРЖДАЮ Проректор по НиИД

КНИТУ-КАИ

д.т.н., доцент .М. Бабушкин 2024 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы аспиранта КНИТУ-КАИ Мохаммед Ракиб Табит Мохаммед Каид в научно-исследовательскую деятельность

Комиссия в составе:

- Надеев А.Ф. - директор ИРЭФ-ЦТ, профессор каф. РТС, д.ф.-м.н. - председатель комиссии;

- Морозов О.Г. - председатель НТС ИРЭФ-ЦТ, профессор каф. РФМТ, профессор, д.т.н. - зам. председателя комиссии,

- Кузнецов A.A. - зав. каф. РФМТ, доцент, д.т.н. - член комиссии;

- Данилаев Д.П. - зав. каф. ЭКСПИ, доцент, д.т.н. - член комиссии;

составила настоящий акт о том, что в период с 2022 г. по настоящее время в научно-исследовательскую деятельность ИРЭФ-ЦТ КНИТУ-КАИ внедрены следующие разработки, в которых используются результаты диссертационной работы Мохаммед Р.Т.М. Каид:

- математические модели и экспериментальные образцы комбинированного волоконно-оптического сенсора для систем локального контроля температуры с радиофотонным опросом; алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее однозначно определять положение центральной длины волны комбинированных адресных волоконных брэгтовских структур радиофотонными методами - выполненные в рамках НИР при поддержке гранта Российского

научного фонда по проекту № 23-79-10059, https://rscf.ru/project/23-79-10059/ на проведение научных исследований в 2023-2024 годах;

- практические рекомендации по созданию новых технологий изготовления чувствительных элементов на основе комбинированных волоконно-оптических элементов с радиофотонным опросом для контроля температуры - выполненные в рамках НИР, выполняемых кафедрой РФМТ при финансовой поддержке Минобрнауки РФ по программе «Приоритет-2030».

- практические рекомендации по проектированию чувствительных элементов, включающих адресных волоконно-оптических датчики для локального контроля температуры - выполненные в рамках договоров с ООО «НПФ МФС» (Казань).

Комиссия отмечает, что результаты диссертационной работы Мохаммед Р.Т.М.Каид используются при выполнении инициативных научно-исследовательских работ по техническим предлож

Председатель комиссии Заместитель председателя комиссии Члены комиссии

Приложение 2. Акт внедрения в ООО «НПФ МФС»

УТВЕРЖДАЮ

5.СТВОСС

гктор

¡/ООО^ФЩС»

,-Агэ11йул1шн тс:М4 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы соискателя степени кандидата технических наук Мохаммед Ракиб Табит Мохаммед Каид

Комиссия в составе:

Аглиуллин А.Ф. - директор, к.т.н., доцент - председатель комиссии;

Гаптраупов Ф.Г. - руководитель производственного участка - зам. председателя комиссии;

Левина С.В.-конструктор - член комиссии;

Мануйлов Н.Б. -инженер - член комиссии,

составила настоящий акт о том, что при выполнении инициативных разработок совместно с ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ» применялись следующие разработки, в которых используются результаты диссертационной работы Мохаммед Р. Т. М. Каид:

■ практические рекомендации по внедрению волоконно-оптических сенсорных технологий в область эндохирургии, а именно рекомендации по применению комбинированных адресных волоконно-оптических датчиков локального контроля температуры во внутрибрюшной полости;

■ концептуальные проработки образцов комбинированных адресных волоконно-оптических датчиков для медицинского применения;

■ практические рекомендации по проектированию чувствительных элементов, включающих адресные волоконно-оптические датчики для локального контроля температуры;

■ разработанные структурные схемы сенсорных систем температурного контроля высокого разрешения на основе комбинированных

адресных волоконно-оптических датчиков;

результаты экспериментальных исследований комбинированных

адресных волоконно-оптических датчиков температуры промышленного применения и методики их калибровки, учитывающие мультипликативный характер воздействия физических полей на оптическое волокно.

Комиссия отмечает, что результаты диссертационной работы Мохаммед Р.Т.М. Каид широко использовались в разработке аван-проектов, включающих концептуальные проработки датчиков для эндохирургического применения, катетеров и средств для их опроса.

Председатель комиссии _Аглиуллин А.Ф.

Заместитель председателя комиссии Члены комиссии

Гаптраупов Ф.Г. Левина С.В. Мануйлов Н.Б.