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

Обложка

Цитировать

Полный текст

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.

Об авторах

Илья Николаевич Михайлов

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН

ORCID iD: 0000-0003-4231-0130
410019 Саратов, ул. Зеленая, д. 38

Юрий Васильевич Никулин

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН

410019 Саратов, ул. Зеленая, д. 38

Сергей Сергеевич Волчков

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.

ORCID iD: 0000-0002-3928-8836
Scopus Author ID: 57202159944
ResearcherId: B-7770-2018
410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Михаил Юрьевич Васильков

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН

ORCID iD: 0000-0003-1579-1194
Scopus Author ID: 56451042200
ResearcherId: M-6825-2016
410019 Саратов, ул. Зеленая, д. 38

Наталья Алексеевна Малофеева

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Игорь Донатович Кособудский

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН

Scopus Author ID: 6603237479
410019 Саратов, ул. Зеленая, д. 38

Николай Михайлович Ушаков

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН

ORCID iD: 0000-0003-1647-2726
Scopus Author ID: 55406725200
ResearcherId: A-6080-2014
410019 Саратов, ул. Зеленая, д. 38

Список литературы

  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.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».