Published December 6, 2013 | Version v1
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Co-integration of optical and micro-fluidic approaches on glass for chemical analysis in harsh environment

Description

The current will of reducing environment and human hazards has led the scientists to imagine new solutions for nuclear waste reprocessing. Miniaturized online chemical analysis of industrial processes has in particular an important role to play to reduce effluent volumes, response times and costs. In this context, we present the design, fabrication and characterization of an integrated spectrophotometric sensor on glass for chemical analysis of radioactive cations. The device is called a - nano-channel waveguide - and is fabricated by reactive ion etching and ion exchange on glass. It is made of two borosilicate glass wafers bonded together. The first one contains a strip core and the second one a (100 ±10) nm deep nano-channel and a slab core. It allows the propagation of a hybrid mode, optimizing the fluid/guide wave interaction on a large wavelength range. Spectrometric measurements of a neodymium nitrate in nitric acid (pH 2) followed by statistical treatment have led to a limit of detection in terms of absorption coefficient of (3.7 ± 0.9) * 10-3 cm-1 for a device length of (3.70 ± 0.05) cm and fluid volume as low as (7 ± 3) nL. A structure allowing to increase the interaction length and therefore further decrease the detection limit has been proposed as an outlook of this work, and a preliminary study for use in a nuclear environment has been performed. (author)

Abstract (French)

La volonte actuelle de reduire les risques environnementaux et humains amene les chercheurs a trouver de nouvelles solutions de traitement-recyclage pousse des combustibles uses. Dans le but de reduire les volumes d'effluents qu'elle genere, ses temps de reponse et son cout, la miniaturisation de l'analyse chimique en ligne constitue l'un des principaux enjeux de ces recherches. Dans ce contexte, le present manuscrit traite de la conception, du dimensionnement, de la fabrication et de la caracterisation d'un capteur spectrophotometrique integre sur verre borosilicate, pour l'analyse des cations radioactifs. Le dispositif, nomme 'guide a nanocanal', est realise a l'aide des techniques de gravure seche par plasma et d'echange d'ions. Il contient un coeur ruban surmonte d'un canal de (100 ± 10) nm de profondeur et d'un coeur plan, et permet la propagation d'un mode hybride optimisant ainsi l'interaction fluide/onde guidee sur un large domaine de longueurs d'ondes. Des mesures spectrales d'une solution de nitrate de neodyme en milieu nitrique peu acide (pH 2) et un traitement statistique ont permis de demontrer une limite de detection minimale en terme de coefficient d'absorption de (3,7 ± 0,9) * 10-3 cm-1 sur une longueur de (3,70 ± 0,05) cm et un volume de seulement (7 ± 3) nL. Une structure permettant d'augmenter la longueur d'interaction et donc de diminuer la limite de detection est proposee en perspectives de ce travail, de meme qu'une etude preliminaire pour l'utilisation du dispositif en milieu actif

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Original title (French)
Co-integration de fonctions optiques et microfluidiques sur verre pour l'analyse chimique en milieu hostile

Publishing Information

Imprint Pagination
180 p.
Report number
FRCEA-TH--5697

Optional Information

Notes
171 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/