Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Михайлов И. Н., Никулин Ю. В., Волчков С. С., Васильков М. Ю., Малофеева Н. А., Кособудский И. Д., Ушаков Н. М. Оптическая спектроскопия нанопористых мембран на основе анодного оксида алюминия в газовом потоке аммиака // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2023. Т. 23, вып. 3. С. 209-220. DOI: 10.18500/1817-3020-2023-23-3-209-220, EDN: WONCTK

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
29.09.2023
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 127)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Оптика и спектроскопия. Лазерная физика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
541.11
DOI: 
10.18500/1817-3020-2023-23-3-209-220
EDN: 
WONCTK

Оптическая спектроскопия нанопористых мембран на основе анодного оксида алюминия в газовом потоке аммиака

Авторы: 
Михайлов Илья Николаевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Никулин Юрий Васильевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Волчков Сергей Сергеевич, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.
Васильков Михаил Юрьевич, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.
Малофеева Наталья Алексеевна , Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.
Кособудский Игорь Донатович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Ушаков Николай Михайлович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Аннотация: 

Методом электрохимического анодирования получены мембраны в виде высокоупорядоченных наноструктур пористого анодного оксида алюминия (ПАОА) с настраиваемыми свойствами пор. Наноструктуры ПАОА готовили в электролите щавелевой кислоты при постоянном токе и электрохимическом потенциале 30–60 В. Готовые нанопористые мембраны были модифицированы тонкими плёнками серебра толщиной 1.8, 3.6 и 5.4 нм. Сканирующая электронная микроскопия поверхности мембран показала, что нанопористые мембраны имеют гексагонально расположенные и высокоупорядоченные массивы пор диаметром (30±4) нм. Оптические интерференционные спектры ПАОА регистрировались в диапазоне длин волн 300–900 нм. Оптические свойства нанопористых мембран со свободной и модифицированной серебром поверхностью менялись в зависимости от времени взаимодействия поверхности мембраны с газовым потоком аммиака, что приводило к изменениям интерференционной картины и, в свою очередь, к изменениям эффективной оптической толщины мембран. Обнаружены особенности влияния модифицированной серебром поверхности мембраны на форму и чувствительность оптического сигнала.

Ключевые слова: 
пористый анодный оксид алюминия
мембрана
плёнка серебра
интерференция света
газовый поток аммиака
эффективная оптическая толщина
аффинные взаимодействия
Благодарности: 
Работа выполнена в рамках проекта Минобрнауки РФ (госзадание ИРЭ имени В. А. Котельникова РАН № FFWZ-2022-0002).
Список источников: 
  1. Ferré-Borrull J., Pallarès J., Macías G., Marsal L. F. Nanostructural Engineering of Nanoporous Anodic Alumina for Biosensing Applications // Materials. 2014. Vol. 7. P. 5225–5253. https://doi.org/10.3390/ma7075225
  2. Shi L., Endres T., Jeffries J. B., Dreier T., Schulz C. A Compact Fiber-Coupled NIR/MIR Laser Absorption Instrument for the Simultaneous Measurement of Gas-Phase Temperature and CO, CO2, and H2O Concentration // Sensors. 2022. Vol. 22, iss. 1. P. 1286–1308. https://doi.org/10.3390/s22031286
  3. Tang Y., Guo J., Chen Y., Huang J. Optical Interferometric Force Sensor Based on a Buckled Beam // IEEE Sensors Journal. 2022. Vol. 22, № 2. P. 1301–1308.
  4. Васильков М. Ю., Михайлов И. Н., Исаев А. Е., Сафошкин Д. З., Кособудский И. Д., Ушаков Н. М. Синтез и изучение композиционного материала на основе пористого анодного оксида алюминия, модифицированного нанонитями серебра // РЭНСИТ. 2021. Т. 13, № 1. С. 39–44. https://doi.org/10.17725/rensit.2021.13.039
  5. Fedorov F. S., Goldt A. E., Zamansky K., Vasilkov M. Yu., Gaev A., Lantsberg A. V., Zaytsev V., Aslyamov T., Nasibulin A. G. Bi-hierarchical porous Pt microspheres grown on Ti wire with TiO2 nanotubes layer for selective alcohol sensing // Oxford Open Energy. 2022. Vol. 1. Article number oiac004. https://doi.org/10.1093/ooenergy/oiac004
  6. Srimathi I. R., Pung A. J., Li Y., Rumpf R. C., Johnson E. G. Fabrication of metal-oxide nano-hairs for effective index optical elements // Optics Express. 2013. Vol. 21, № 16. P. 18733–18741. https://doi.org/10.1364/OE.21.018733
  7. Memon S. F., Wang R., Strunz B., Chowdhry B. S., Pembroke J. T., Lewis E. A Review of Optical Fibre Ethanol Sensors: Current State and Future Prospects // Sensors. 2022. Vol. 22, № 3. Article number 950. https://doi.org/10.3390/s22030950
  8. Santos A., Kumeria T., Losic D. Nanoporous anodic aluminum oxide for chemical sensing and biosensors // TrAC – Trends in Analytical Chemistry. 2013. Vol. 44. P. 25–38. https://dx.doi.org/10.1016/j.trac.2012.11.007
  9. Duan W., Yan F., Wang Y., Zhang H., Ma L., Wen D., Wang W., Sheng G., Wang Q. A Laser-Based Multipass Absorption Sensor for Sub-ppm Detection of Methane, Acetylene and Ammonia // Sensors. 2022. Vol. 22. P. 556–570. https://doi.org/10.3390/s22020556
  10. Gauglitz G., Krause-Bonte J. Spectral Interference Refractometry by Diode Array Spectrometry // Anal. Chem. 1988. Vol. 60. P. 2609–2612.
  11. Kumeria T., Losic D. Reflective interferometric gas sensing using nanoporous anodic aluminium oxide (AAO) // Phys. Stat. Sol. Rapid Res. Lett. 2011. Vol. 5, iss. 10–11. P. 406–408. https://doi.org/10.1002/pssr.201105425
  12. Bellancini M., Cercenelli L., Severi S., Comai G., Marcell E. Development of a CO2 Sensor for Extracorporeal Life Support Applications // Sensors. 2020. Vol. 20. P. 3613–3631. https://doi.org/10.3390/s20133613
  13. D’Amato F., Viciani S., Montori A., Barucci M., Morreale C., Bertagna S., Migliavacca G. Spectroscopic Techniques versus Pitot Tube for the Measurement of Flow Velocity in Narrow Ducts // Sensors. 2020. Vol. 20. P. 7349–7368. https://doi.org/10.3390/s20247349
  14. Tao J., Zhang Q., Xiao Y., Li X., Yao P., Pang W., Zhang H., Duan X., Zhang D., Liu J. A Microfluidic-Based Fabry-Pérot Gas Sensor // Micromachines. 2016. Vol. 7. P. 36–46. https://doi.org/10.3390/mi7030036
  15. Chang T.-C., Sun A. Y., Huang Yu.-C., Wang Ch.-H., Wang Sh.-Ch., Chau L.-K. Integration of Power-Free and Self-Contained Microfluidic Chip with Fiber Optic Particle Plasmon Resonance Aptasensor for Rapid Detection of SARS-CoV-2 // Nucleocapsid Protein. Biosensors. 2022. Vol. 12, № 10. Article number 785. https://doi.org/10.3390/bios12100785
  16. Evans R. M., Edwards D. A. Receptor heterogeneity in optical biosensors // J. Math. Biol. 2018. Vol. 76. P. 795–816. https://doi.org/10.1007/s00285-017-1158-x
  17. Васильков М. Ю., Михайлов И. Н., Никулин Ю. В., Волчков С. С., Зимняков Д. А., Ушаков Н. М. Спектральные оптические свойства нанокерамических пористых мембран на основе анодного оксида алюминия и покрытия из серебра в парах аммиака // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130, вып. 2. С. 305–310. https://doi.org/10.21883/OS.2022.02.52000.2244-21
  18. Nielsch K., Choi J., Schwim K., Wehrspohn R. B., Gösele U. Self-ordering regimes of porous alumina: The 10% Porosity Rule // Nano Lett. 2002. Vol. 2. P. 677–680.
  19. Santos A., Balderrama V. S., Alba M., Formentín P., Ferré-Borrull J., Pallarès J., Marsal L. F. Nanoporous Anodic Alumina Barcodes: Toward Smart Optical Biosensors // Adv. Mater. 2012. Vol. 24. P. 1050–1054.
  20. Moiseev S. G. Optical properties of a Maxwell–Garnett composite medium with nonspherical silver inclusions // Russian Physics Journal. 2009. Vol. 52, № 11. P. 1121–1127. https://doi.org/1064-8887/09/5211-1121
  21. Sundararajan Ann., Pericas Pep C., Wiegerink R. J., Lötters J. C. Silicon rich silicon nitride microchannels to determine fluid composition by near infrared absorbance // Proc. of IEEE 35th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems Conference (MEMS). Tokyo, 2022. P. 676–679. https://doi.org/10.1109/MEMS51670.2022.9699647
  22. Beganovic A., Krzysztof B., Henn R., Huck C. W. Handling of uncertainty due to interference fringe in FT-NIR transmittance spectroscopy – Performance comparison of interference elimination techniques using glucose-water system // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2018. Vol. 197. P. 208–215. https://doi.org/10.1016/j.saa.2018.01.069
  23. Mun K.-S., Alvarez S. D., Choi W.-Y., Sailor M. J. A Stable Optical Interferometric Biosensor Base don TiO2 Nanotube Arrays // ACS Nano. 2010. Vol. 4. P. 2070–2076.
  24. Edwards P., Leatherbarrow R. J. Determination of Association Rate Constants by an Optical Biosensor Using Initial Rate Analysis // Anal. Biochem. 1997. Vol. 246. P. 1–6.
  25. Chang T.-C., Wu C.-C., Wang S.-C., Chau L.-K., Hsieh W.-H. Using A Fiber Optic Particle Plasmon Resonance Biosensor To Determine Kinetic Constants of Antigen – Antibody Binding Reaction // Anal. Chem. 2013. Vol. 85, № 1. P. 245–250. https://doi.org/10.1021/ac302590n
  26. Evans R. M., Edwards D. A. Receptor heterogeneity in optical biosensors // Bulletin of Mathematical Biology. 2018. Vol. 76. P. 795–816. https://doi.org/10.1007/s00285-017-1158-x
  27. Evans R. M., Edwards D. A. Transport Effects on Multiple-Component Reactions in Optical Biosensors // Bull. Math. Biol. 2017. Vol. 79. P. 2215–2241. https://doi.org/10.1007/s11538-017-0327-9
  28. Shalabney A., Abdulhalim I. Sensitivity-enhancement methods for surface plasmon sensors // Laser Photonics Rev. 2011. Vol. 5, № 4. P. 571–606. https://doi.org/10.1002/lpor.201000009
  29. Moiseev S. G. Composite medium with silver nanoparticles as an anti-reflection optical coating // App. Phys. A. 2011. Vol. 103. P. 619–622. https://doi.org/10.1007/s00339-010-6193-z
  30. Maréchal N., Quesnel E., Pauleau Y. Silver thin films deposited by magnetron sputtering // Thin Solid Films. 1994. Vol. 241, iss. 1–2. P. 34–38.
  31. Полонянкин Д. А., Блесман А. И., Постников Д. В. Влияние микроструктуры и шероховатости поверхности на электропроводность тонких пленок из меди и серебра, полученных методом магнетронного распыления // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 2. С. 204–208. https://doi.org/10.25206/2310-9793-2017-5-2-204-208
  32. Ke Y., Zahid F., Timoshevskii V., Xia K., Gall D., Guo H. Resistivity of thin Cu films with surface roughness // Physical Review B. 2009. Vol. 79. Article number 155406.
Поступила в редакцию: 
06.04.2023
Принята к публикации: 
15.06.2023
Опубликована: 
29.09.2023
  • 353 просмотра