|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Возможности применения фотонных кристаллов для рефрактометрических, химических и рамановских сенсоровНИР
Possible applications of photonic crystals for refractometric, chemical and Raman sensors
- Руководитель НИР: Климонский С.О.
- Ответственный исполнитель: Ашуров М.С.
- Подразделение: Кафедра междисциплинарного материаловедения
- Срок исполнения: 1 октября 2019 г. - 30 сентября 2021 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 19-33-90266\19
- Номер ЦИТИС: АААА-А19-119111190029-3
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Создание новых функциональных материалов
- ПН России: Индустрия наносистем
- Критическая технология России: Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов
-
Рубрики ГРНТИ:
- 31.17.15 Неорганическая химия
- 31.21.19 Общие синтетические методы
- Классификатор OECD: Физическая химия
-
Ключевые слова:
фотонные кристаллы, нанокомпозиты, сенсоры, рамановская спектроскопия, рефрактометрия
photonic crystals, refractometry, sensors -
Описание:
Планируется изучить возможности применение фотонных кристаллов в качестве рефратометрических, химических и рамановских сенсоров. Преимуществами их применения являются возможность визуального детектирования аналитов, относительно высокая чувствительность, а также возможность изменять свойства сенсоров путем варьирования элементной базы фотонного кристалла (ФК). Мы планируем разработать новые подходы к изготовлению фотонно-кристаллических сенсоров, опираясь на имеющиеся навыки получения высококачественных пленок фотонных кристаллов (прямых и инвертированных) из неорганических (SiO2, SiO2/Ag) и органических композиционных материалов (ETPTA, (C8H8)n, ETPTA/Au). Может быть применена также определенная химическая функционализация ЕТРТА с целью расширения диапазона детектируемых молекул. Основная информация по детектированию жидкостей и газов с помощью ФК будет извлекаться по сдвигу длины волны пика отражения при адсорбции аналита. В ходе выполнения проекта будут получены новые типы рефрактометрических и химических сенсоров из фоторезиста ETPTA и полимером PANI, способные с хорошей точностью определять состав жидкостей и газов. Также будут получены новые типы рамановских сенсоров на основе фотонно-кристаллических нанокомпозитов ФК/плазмонные наночастицы. Мы предполагаем, что двойное усиление за счет фотонной запрещённой зоны и гигантского комбинационного рассеяния позволит изготовить рамановские сенсоры с рекордной чувствительностью.
-
Abstract:
We plan to explore the possibilities use of photonic crystals as refractometrically, chemical, and Raman sensors. The advantages of their application are possibility for visual detection of analytes, relatively high sensitivity, as well as the ability to change the properties of sensors by varying the element base of the photonic crystal (PhC). We plan to develop new approaches to fabrication of photonic crystal sensors, based on the existing skills of producing high-quality films of photonic crystals (direct and inverse) from inorganic (SiO2, SiO2/Ag) and organic composite materials (ETPTA, (C8H8)n, ETPTA/Au). A certain chemical functionalization of the ETPTA can be applied for extend the range of detected molecules. Basic information on the detection of liquids and gases using PhC will be extracted by the wavelength shift of the reflection peak during the adsorption of the analyte. During the project, refractometric and chemical sensors from photoresist ETPTA and polymer PANI will be obtained, capable to controlling the composition of liquids and gases with good accuracy. Also will be received a new types of Raman sensors based on nanocomposites PhC/plasmonic nanoparticles. We assume that the joint signal amplification due to the photon band gap and SERS will allow to produce Raman sensors with record sensitivity.
-
Планируемые результаты:
В конце первого года проекта ожидаются следующие результаты: 1) Получим высококачественные фотонные кристаллы опалового типа на основе плотноупакованных микросфер диоксид кремния и полистирола. 2) Изготовим гибкие полимерные фотонно-кристаллические пленки из фоторезиста ETPTA с желаемыми оптическими свойствами. 3) Синтезируем наночастицы золота размером 15-20 нм с дальнейшим введением их в поры инвертированного фотонного кристалла из ЕТРТА. 4) Изучим оптические свойства фотонных кристаллов и их композитов. 5) Изучим сенсорные свойства фотонно-кристаллических нанокомпозитов для усиление рамановского сигнала. Проведем экспериментов по рамановской спектроскопии под разными углами. В конце второго года проекта ожидается следующие результаты: 1) Проведение сенсорных измерений для контроля состава водно-спиртовых растворов с помощью инвертированных опалов из ЕТРТА. Получиие сенсоров для контроля состав газов (NH3 и HCl) с помощью инвертированных опалов из полимера PANI. 2) Химическая функционализация мономера ЕТРТА для улучшение его гидрофобности. Изучение сенсорных свойств функционализоавнного со-полимера. 3) Синтез композитных микросфер на основе SiO2/Ag SiO2/Au разными методами и получение фотонных кристаллов на их основе.
-
Научный задел:
Научный задел связан с разработанными под моим руководством методами: 1. методы синтеза тонких фотонно-кристаллических пленок, характеризующихся высоким совершенством структуры типа опала и инвертированного опала; 2. методы введения в пленки инвертированных опалов заданной концентрации наночастиц золота, не только не приводящие к деградации их фотонно-кристаллических свойств, но и позволяющие в некоторых случаях их улучшить; 3. методы введения в них же люминесцентных примесей и красителей. Методы, касающиеся введения наночастиц золота, были разработаны в ходе выполнения проекта РФФИ-16-03-00853_а и могут служить хорошей базой для получения материалов, сочетающих фотонно-кристаллические свойства с усилением Рамановского рассеяния за счет плазмонного резонанса в металлических наночастицах (ГКР-эффект с дополнительным фотонно-кристаллическим усилением). Совместно с аспирантом М. Ашуровым были поставлены также предварительные эксперименты по изготовлению рефрактометрических и химических сенсоров на основе фотонных кристаллов различного типа; выполнена и отправлена в редакцию Journal of Materials Chemistry C работа по изучению возможностей усиления Рамановского рассеяния в фотонных кристаллах (аннотации неопубликованных работ приложены к заявке отдельным файлом). Последнюю работу планируется продолжить на образцах с металлическими наночастицами.
- Добавил в систему: Климонский Сергей Олегович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 октября 2019 г.-30 сентября 2020 г. | Изучение сенсорных свойств фотонных кристаллов |
| Результаты этапа: В соответствии с планом проекта на первый год, основные усилия были направлены на изучение эффекта усиления комбинационного рассеяния света (КР) с помощью фотонно-кристаллических структур. Были синтезированы и охарактеризованы пленки трехмерных фотонных кристаллов (ФК) со структурой опала и инвертированного опала из диоксида кремния и фоторезиста ETPTA, в том числе инвертированные пленки из фоторезиста с введенными в них наночастицами золота. Учитывая то, что инвертированные пленки ФК из ЕТРТА обладают более высокой прочностью и лучшими оптическими свойствами, было исследовано их применение в качестве усилителей сигнала КР, причем для инвертированных ФК без плазмонных наночастиц данное исследование было проведено впервые. Было показано, что интенсивность сигнала от аналита, находящегося в порах ФК, сильно зависит от положения фотонной стоп-зоны. Было установлено, что наибольший сигнал КР можно достигнуть в образце, в котором центр фотонной стоп-зоны ближе всего к длине волны лазерного излучения. Для подтверждения эффекта были проведены эксперименты по измерению КР под разными углами от поверхности инвертированного ФК. Результаты показали, что при вращении пленок ФК интенсивность сигнала КР меняется, при этом максимум интенсивности наблюдается для углов, при которых центр фотонной стоп-зоны совпадает с длиной волны лазерного излучения. Выполненная нами, с учетом погрешностей, оценка снизу величины усиления КР за счет замедления лазерного излучения в области фотонной стоп-зоны показала, что соответствующий коэффициент усиления превышает 50. Также были получены композиционные пленки ФК на основе ЕТРТА с внедренными в них наночастицами золота. Примерно одинаковые количества золота были внедрены в пустоты инвертированного опала из ЕТРТА с разным положением фотонной стоп-зоны. Количество введенного золота в ФК матрицу контролировали с помощью спектров пропускания композитной пленки. Полученные композиты были применены в качестве подложек для наблюдения гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) на органическом красителе метиленовом голубом, который дополнительно вводили в данные пленки. Было обнаружено, что на итоговый сигнал ГКР влияет не только количество введенного в матрицу ФК золота, но и положение фотонной стоп-зоны инвертированного ФК. Сигнал ГКР был достаточно стабилен по всей площади исследованных пленок. Таким образом, наше исследование показывает, что могут быть задействованы одновременно два механизма усиления сигнала КР: за счет плазмонного резонанса на металлических наночастицах (ГКР) и за счет замедления лазерного излучения в области фотонной стоп-зоны. Тем самым открываются новые перспективы контроля предельно малых количеств аналита с помощью КР. | ||
| 2 | 1 октября 2020 г.-30 сентября 2021 г. | Изучение усиления рамановского сигнала в фотонных кристаллах |
| Результаты этапа: Содержание проекта составляло изучение сенсорных свойств фотонных кристаллов (ФК). Были синтезированы и охарактеризованы пленки трехмерных ФК со структурой опала из диоксида кремния и инвертированного опала из фоторезиста ЕТРТА (триметилолпропан этоксилат триакрилат). Учитывая то, что инвертированные пленки ФК из ЕТРТА обладают более высокой прочностью и более широкой стоп-зоной, было исследовано их применение в качестве усилителей сигнала комбинационного рассеяния (КР), причем для инвертированных ФК без плазмонных наночастиц данное исследование было проведено впервые. Было показано, что интенсивность сигнала КР от аналита (органического красителя), находящегося в порах ФК, сильно зависит от положения фотонной стоп-зоны. Было установлено, что наибольший сигнал КР можно достигнуть в образце, в котором центр фотонной стоп-зоны ближе всего к длине волны лазерного излучения. Для подтверждения эффекта были проведены эксперименты по измерению КР при разных углах падения света на поверхность ФК. Влияние стоп-зоны было исследовано также для композиционных пленок инвертированных ФК на основе ЕТРТА с внедренными в них наночастицами золота. Примерно одинаковые количества золота были внедрены в пустоты инвертированных ФК с разным положением фотонной стоп-зоны. Полученные композиты были применены в качестве подложек для наблюдения гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) на аналите. Было обнаружено, что на итоговый сигнал ГКР влияет не только количество введенного в матрицу ФК золота, но и положение фотонной стоп-зоны инвертированного ФК. Довольно большая и воспроизводимая величина ГКР, малый расход аналита и сравнительно невысокая концентрация золота в образцах делают их весьма перспективными для использования в качестве ГКР-сенсоров. Была также изучена возможность использования пленок инвертированных опалов из фоторезиста ЕТРТА в качестве сенсоров для определения концентрации спиртов в воде. Аналитическим сигналом являлось спектральное положение фотонной стоп-зоны. Сигнал линейно рос с ростом концентрации этиленгликоля и нелинейно, но монотонно возрастал с ростом концентрации этанола в воде. Последнее обстоятельство снимало проблему неоднозначности результатов, присущую рефрактометрическим методам контроля содержания этанола. Содержание этиленгликоля могло быть проконтролировано с точностью около 1 мас.%, что соответствует лучшим ФК сенсорам, описанным в литературе. Образцы проявляли хорошую стабильность при многократном использовании. Также были получены микроструктурированные ФК со структурой опалов и инвертированных опалов. Впервые был произведено их инвертирование с помощью фоторезиста ЕТРТА и исследованы возможности применения полученных образцов в качестве микросенсоров для детектирование водно-спиртовых смесей. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".