Регистрация / Вход
Прислать материал

14.625.21.0004

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.625.21.0004
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений"
Название доклада
Разработка высокочувствительных сенсоров на основе оптических дисковых микрорезонаторов для определения малых концентраций наночастиц
Докладчик
Самойленко Алексей Андреевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного исследования является разработка нового метода детектирования малых концентраций наночастиц в жидких и газообразных средах с помощью сенсоров на основе оптических дисковых микрорезонаторов с модами шепчущей галереи для создания компактного, мобильного, недорогого экспериментального образца высокочувствительного сенсора.
Актуальность и новизна исследования
Наноматериалы и наночастицы, являющиеся продуктом современных нанотехнологий, обладают комплексом уникальных свойств, открывающих широкие перспективы промышленного применения. Ультрадисперсные наноматериалы используются в широком спектре отраслей промышленности. Наночастицы начинают конкурировать в медицине и ветеринарии с высокотоксичными синтетическими соединениями и антибиотиками. В ближайшем будущем планируется использование наночастиц в качестве антисептических добавок. Разрабатываются технологии, ставшие традиционными для применения ультрадисперсных наночастиц, такие как покрытия, красители и др.
Многие вещества в наноразмерном состоянии получают новые свойства и зачастую повышают свою биологическую активность. Это используется в области биомедицины, фармакологии, производстве продуктов питания, при решении экологических и сельскохозяйственных проблем. Но такая высокая биологическая активность позволяет наночастицам легко преодолевать клеточные барьеры и проникать в жизненно важные органы человека и животных. Поэтому необходимо развивать систему методов контроля и определения наличия наноматериалов в первую очередь в воздушных и водных средах. Контроль за содержанием наночастиц в рабочих помещениях предприятий наноиндустрии позволит оградить работников от получения сверх высоких доз наноматериалов.
В настоящее время, для контроля содержания наночастиц применяется громоздкое дорогостоящее оборудование, которое не может приобрести каждая аккредитованная лаборатория, кроме этого отсутствуют мобильные приборы контроля и анализа содержания наноматериалов в окружающей среде и в воздухе рабочей зоны на производстве наноматериалов.
Описание исследования

Чувствительным элементом разрабатываемого сенсора является оптический диэлектрический микрорезонатор с модой шепчущей галереи. Данный тип резонатора представляет собой тело вращения, имеющее такую форму, что траектория света, который распространяется по внутренней поверхности резонатора, замыкается и образует резонансную моду. Такая мода называется модой шепчущей галереи. Современные оптические материалы имеют очень низкие потери. Резонаторы с модами шепчущей галереи, изготовленные из таких материалов, могут иметь очень большую добротность — до 1010. Если такой резонатор имеет микроскопические размеры, то оптические моды в нём имеют очень высокую степень локализации поля.

В нашей работе мы используем несколько типов микрорезонаторов: микрорезонаторы изготовленные методом термообработки, методом механической обработки и методом литографии. Размеры данных микрорезонаторов варьируются от 100 мкм до 4 мм. Благодаря большой добротности (до 108) и высокой локализации поля, даже такие незначительные неоднородности на их поверхности, как осевшие наночастицы, приводят к детектируемому изменению частотных характеристик микрорезонаторов. Принцип действия разрабатываемого высокочувствительного сенсора как раз и основан на регистрации изменения частотных характеристик оптического дискового микрорезонатора при его взаимодействии с наночастицами, осевшими на его поверхности.

На первых этапах работ по проекту были получены следующие результаты. Были проведены теоретические исследования и разработаны математические модели по данному исследованию. Были разработаны и отработаны методики изготовления микрорезонаторов трёх типов. Был разработан и создан экспериментальный стенд для калибровки и испытания экспериментальных образцов микрорезонаторов. На основе данного стенда были разработаны и созданы такие элементы сенсора, как единая система ввода-вывода лазерного излучения, система детектирования лазерного излучения, вышедшего из микрорезонатора. Был разработан ряд методик контроля качества получающихся микрорезонаторов.

На последних этапах работ по проекту проводились исследования связанные с изучением взаимодействия наночастиц в воздушной и водной среде с микрорезонаторами. На основе полученных данных были разработаны методики измерения размеров и концентрации наночастиц в данных средах и была разработана конструкция сенсора.

В течение этих этапов был разработан метод нанесения наночастиц серебра в водной среде и наночастиц диоксида титана в воздушной смеси на экспериментальный образец оптического дискового микрорезонатора. Для чего были синтезированы нанопорошки диоксида титана со средними размерами первичных частиц 20, 40, 80 нм, и были приготовлены коллоидные растворы серебра со средним размером наночастиц 10.2, 43.0 и 108.9 нм в присутствии различных стабилизаторов. Для нанесения полученных образцов наночастиц на образцы микрорезонаторов, была модифицирована разработанная на предыдущих этапах установка для приготовления модельной воздушной смеси диоксида титана с изменяемой заданной массовой концентрацией наночастиц в аэрозоле, была разработана и собрана система подачи приготовленных смесей наночастиц в жидкости на экспериментальный образец оптического дискового микрорезонатора.

В результате проведённых экспериментов были получены данные об изменении частотных характеристик микрорезонаторов при их взаимодействии с наночастицами в образцах с размерами наночастиц диоксида титана от 10 до 80 нм и размерами наночастиц серебра от 10 до 108 нм, соответственно, в воздушной среде с концентрацией наночастиц диоксида титана от 5 до 10 мг/м3 и в водной среде с концентрацией наночастиц серебра от 0,005 до 5 ppm. По результатам проведённых исследований были разработаны методики измерения концентрации и размеров наночастиц в образцах. Данные методики основаны на измерении скорости деградации оптической добротности в процессе осаждения наночастиц на поверхность микрорезонаторов. Проведенные измерения по данным методикам показали, что с помощью разработанного метода можно определять размеры и концентрации наночастиц в образцах с точностью порядка 20%.

В по результатам исследований, проведённых в рамках проекта, на основе конструкции кюветы, разработанной и используемой в составе экспериментального стенда, была разработана конструкция сенсора и было изготовлено несколько экспериментальных образцов сенсора. В настоящий момент проводятся исследовательские испытания изготовленных экспериментальных образцов сенсора.

Результаты исследования

Размеры оптических дисковых микрорезонаторов не превышают 5мм в диаметре, что позволило создать в рамках работы по проекту высокочувствительный сенсор на их основе, способный определять различные малые концентрации и размеры наночастиц в воздушных и водных средах. Одно из исполнений высокочувствительного сенсора изготавливается на основе оптических дисковых микрорезонаторов полученных с помощью планарных технологий, что может обеспечить низкую себестоимость сенсоров на их основе.

Входе работ по проекту в течение последнего года проведены основные экспериментальные исследования возможности применения оптических дисковых резонаторов, в качестве регистраторов наночастиц. В этой связи, необходимо отметить, что анализ литературных данных показал, ни у нас в стране ни за рубежом нет публикаций по экспериментальному исследованию частотных характеристик дисковых резонаторов в присутствии наночастиц. Известны только работы по регистрации отдельных бионаночастиц при помощи резонаторов. Однако при этом не анализировалась ни концентрация, ни размер частиц. Поэтому результаты, полученные при выполнении данной работы, являются уникальными и будут основой наших дальнейших исследований и публикаций на эту тему.

В настоящее время за рубежом проводятся исследования возможности создания сенсоров на основе оптических дисковых микрорезонаторов для регистрации изменения концентрации различных химических веществ и бионаночастиц в жидких средах. Однако в литературе отсутствуют существенные экспериментальные данные, позволяющие оценить возможности детекторов данного типа и еще не разработан коммерческий образец сенсора или его прототип на основе оптических дисковых микрорезонаторов.

Нами были разработаны и в настоящий момент проводятся испытания экспериментальных образцов сенсоров на основе оптических дисковых микрорезонаторов с модами шепчущей галереи.

Практическая значимость исследования
Измерение концентрации наночастиц является на наш взгляд очень актуальной задачей прежде всего в связи с увеличивающимися объемами производства порошковых наноматериалов, которые все более активно используются в химической, машиностроительной и пищевой отраслях промышленности. Внедрение разрабатываемого сенсора позволит осуществлять жизненно необходимый контроль за концентрацией наноматериалов в рабочей зоне при их производстве и применении, учитывая тот факт, что воздействие на человека наночастиц изучено недостаточно хорошо.
Постер

Poster_IN_V4.ppt