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: 222)
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 филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Васильков Михаил Юрьевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
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
  • 631 просмотр