Диагностика поверхностных и объемных структурных модификаций различных веществ с использованием пьезокварцевого сенсора

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М. В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 621.372; 621.373Алешин Юрий КонстантиновичДИАГНОСТИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ И ОБЪЕМНЫХСТРУКТУРНЫХ МОДИФИКАЦИЙ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО СЕНСОРА01.04.03 – радиофизика01.04.01 – приборы и техника физического экспериментаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20091Работа выполнена на кафедре фотоники и физики микроволн (ранеерадиофизики) физического факультета Московского государственногоуниверситета им.

М. В. Ломоносова.Научный руководитель:Доктор физико-математических наук,профессор А. П. СухоруковОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук,профессор А. А. ВолковДоктор физико-математических наук,профессор Н. Л. ЛевшинВедущая организация:Московский авиационный институт(государственный техническийуниверситет)Защита состоится «11» июня 2009 года в 1600 на заседаниидиссертационного совета Д501.001.67 при Московском государственномуниверситете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинскиегоры, МГУ. Д.1, стр.2, физический факультет.С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научнойбиблиотеки им. А.М.

Горького МГУ им. М.В.Ломоносова (физическийфакультет).Автореферат разослан «_____» ___________ 2009 г.Ученый секретарьСпециализированного Совета Д.501.001.67кандидат физико-математических наук,доцент2А.Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы.В современных научных исследованиях, проводимых в областибиохимии, физической химии, химической физики и нанотехнологий,важную роль играют сверхчувствительные методы измерения физическиххарактеристик различных веществ. Среди них особое место занимаютметоды, применяющиепьезокварцевые резонаторы (ПКР).

Их работаоснована на высокой чувствительности частоты колебаний кристалла кварцак внешним воздействиям, таким как температура, давление, присоединениемассы, структурные модификации веществ, находящихся в контакте спьезоэлементом и т.д. В частности, в установках по вакуумному напылениюпьезодатчики (ПД) применяются в качестве толщиномеров для контроляроста пленок.Дляаналитическогоопределенияконцентрацийиндивидуальныхвеществ в жидких средах и толстых пленочных покрытиях в реальномвремени широко используется метод пьезокварцевого микровзвешивания.Однако в настоящее время при разнообразии объектов тестирования спомощью селективных покрытий применяется, как правило, методикапроведения диагностики, основанная на результатах предварительныхизмерений свойств пленок при вакуумном напылении без учета воздействиявнешних физических факторов на работу ПД.

Поэтому при исследованииразличных физико-химических процессов необходимо каждый раз проводитьтщательную калибровку ПД, используя независимые методы измеренияизучаемых свойств. С этой целью необходимо установить связь физическихпроцессов на поверхности ПКР с перестройкой частоты пьезокварцевогогенератора. Таким образом, для решения аналитических задач требуетсямодифицировать поверхность ПКР под выбранные сенсоры и затемприменить откалиброванные методы пьезокварцевого микровзвешивания. Спомощью таких ПД можно проводить измерения физических полей иопределять параметры окружающей среды.3Цель работы: изучить процессы механических и электрофизическихвоздействийнаповерхностьПКР,изменяющихегоколебательныехарактеристики, такие как резонансная частота, добротность, ширинарезонанса и т.д. Экспериментально и теоретически изучить возможностиприменения ПКР в качестве селективных датчиков для измеренияфизических и физико-химических характеристик окружающих газовых ижидких сред.

Разработать экспериментальные установки с активными ипассивными ПКР, позволяющими изучать в режиме реального времениизменения концентрации индивидуальных химических и биохимическихвеществ, диэлектрическую проницаемость жидкостей, а также измерятьиндукцию магнитного поля.Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:- изучение совокупности физических и физико-химических процессов наповерхности и в объеме ПКР, являющегося частотозадающим элементомкомплекса пьезокварцевого микровзвешивания;- экспериментальное подтверждение модели, описывающей линейный уходбазовой частоты ПКР при нанесении массы на его поверхность;- изучение процессов формирования слоев на поверхности ПКР в установкепо измерению кривых сорбции-десорбции в газовой фазе;- выполнение селективных многослойных покрытий на поверхностидатчика в жидкой фазе, окружающей резонатор;- исследование влияния характеристик окружающей датчик жидкости наизменение его базовой частоты.Научная новизна работы заключается в следующем:- разработана и создана установка для параллельного электрохимическогоизмерения нанесенного слоя вещества, которая применена для калибровкичувствительностиПД,использующегомикровзвешивания;4методикупьезокварцевого- экспериментально установленная линейная зависимость ухода базовойчастоты генератора с ПКР от присоединенной к его поверхности массы вбольшом диапазоне изменения приложенной нагрузки;- создана установка с магниточувствительным слоем на поверхности ПКР,позволяющая регистрировать индукцию неоднородного магнитного поля;- методика оптимизации нанесения селективных слоев на поверхность ПКРна основе анализа данных измерений массы каждого слоя;- химическое присоединение антитела к вирусу картофеля на поверхностиПКР и создан масс-чувствительный датчик селективного определенияантигенов в растворе;-методдиэлектрометриибинарныхжидкихсред,основанныйназависимости диэлектрической проницаемости от объемной концентрациикомпонент, применен к анализу структурных изменений в системе «этиловыйспирт – вода».Достоверность результатов диссертации обеспечена корректностьюрешаемых задач и экспериментальным их сопровождением, использованиемобоснованных методов расчетов моделей, а также хорошим совпадениемполученных результатов с данными моделирования.Научная и практическая значимость работы:Разработанный и апробированный большой класс ПД с селективнымипокрытиями для прямого определения с высокой точностью концентрацийиндивидуальных веществ в жидких и газовых средах может найтиприменение в аналитических приложениях физической химии, биохимии,физической метрологии и нанотехнологий.Методика измерения диэлектрической проницаемости бинарных смесейпозволяетопределятьструктурныеизмененияприварьированиисоотношения концентраций их компонент.Нанесение магниточувствительных покрытий на поверхность ПКРпозволяет регистрировать индукцию неоднородного магнитного поля.5Основные положения, выносимые на защиту:1.

Методкалибровкичувствительностипьезокварцевогомикровзвешивания с помощью контроля ПКР-измерений электрохимическимспособом.2. СоотношениемеждучастотойПКРидиэлектрическойпроницаемостью окружающей среды, учитывающее влияние геометрическихразмеров резонатора. Экспериментальное подтверждение этого соотношенияво всем частотном диапазоне ПКР - генератора.3. Создание сенсора неоднородного магнитного поля с помощьюнанесения на поверхность ПКР слоя «магнитной» жидкости, испытывающегомеханическое воздействие и тем самым меняющего базовую частоту.4. Зависимостьдиэлектрическойпроницаемостиотконцентрациибинарной смеси «спирт-вода», определенная методом погружения ПКР вжидкость.Личный вклад диссертанта.Диссертантомличнопроведенотеоретическоемоделирование,разработаны методики измерений и созданы экспериментальные установки.Он лично вместе с соавторами провел измерения и провел анализполученных результатов.Апробация работы.Материалы диссертации докладывались на VII, VIII, IX, X и XIВсероссийских школах-семинарах "Физика и применение микроволн"(Московская область, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.), VII и XВсероссийских школах-семинарах “Волновые явления в неоднородныхсредах”(Московская область, 2000, 2006 гг.), IV конференции «ХимикиСеверного Кавказа – производству» (Махачкала, 21-24 мая 1996г.), 7-ойВсероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемыизмерений» (Москва, МВТУ им.

Н. Э. Баумана, 28-30 ноября 2000 г.), VIII6Международном симпозиуме ФЭКС (Светлогорск, Россия, 18-25 сентября2005 г.), конференции «Всемирный год физики в Московском университете»(Москва, 15-17 сентября 2005 г.), XVIII, XIX и XX Симпозиумах"Современная химическая физика" (Туапсе, 2006, 2007 и 2008 гг.).Материал диссертации докладывался и обсуждался на семинарах кафедрхимии нефти, коллоидной химии и электрохимии химического факультетаМГУ, кафедры фотоники и физики микроволн (радиофизики) физическогофакультета МГУ.Публикации.Основные результаты диссертации изложены в 4 статьях и 14 тезисахдокладов, список которых приводится в конце автореферата.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка цитируемойлитературы,включающего87наименований.Общийобъемработысоставляет 140 страниц, 56 рисунков и 14 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе обосновывается актуальность избранной темы,формулируются цель работы, защищаемые положения, научная новизна ипрактическая значимость, излагается общая постановка задач и описываетсяструктура диссертации.

Представлен обзор литературы, в котором краткоописано явление пьезоэлектричества. Приведены принципы работы ПКР иособенности технологического применения резонаторов открытого типа вкачестве сенсоров, их преимущества и возможные режимы стабильнойработы.Представленметодпьезокварцевогомикровзвешивания,проанализированы особенности его экспериментальной реализации взависимости от внешних условий, радиофизических параметров схемыгенераторов и различных вариантов покрытий электродов ПД.