Диссертация (Исследование оптического диэлектрического микрорезонатора для детектирования наночастиц), страница 15

В процессеисследования данный метод позволил выявить зависимость, представленную втаблице 13.97Таблица 13. Зависимость массовой концентрации гидрозоля наночастицдиоксида титана от интегральной счетной концентрации.Массовая концентрация гидрозоля(мг/мл)0,0010,0311,55±0,122,92±0,197,95±0,21Интегральная счетнаяконцентрация аэрозоля,105 (шт./см3)Приведенныевтаблицерезультатысоответствуютрезультатамэксперимента.Для вычисления размера частиц диоксида титана, полученных методомЭВП, применялся метод просвечивающей электронной микроскопии.

Сначала спомощью просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-2100 сускоряющим напряжением 120 кэВ определялся изначальный размер частиц.На основе полученных результатов было определено, что эффективный размеридентифицированных частиц находится в диапазоне от 3 до 35 нм.Визуализация (иллюстрация) частиц диоксида титана представлена на рисунке28.а.Размеры наночастиц в объеме кюветы оценивались с использованиемэлектронноймикроскопиипослеихпредварительногоосаждениянаконтрольной площадке (мишени).

Для этого в течение одной секундыосуществлялось перекрытие направленного сверху вниз потока воздуха снаночастицами TiO2, а именно его падение на мишень с липким слоем. Наплатформе микроскопа с использованием растрового электронного прибораNvision 40 с детектором Inlens было получено изображение наночастиц дляконцентрации в гидрозоле 0,001 мг/мл. Подсчет плотности частиц в трехобластях площадью 1 мкм2 осуществлялся с помощью растрового электронногомикроскопа, в результате среднее значение плотности составило 32 штук/мкм 2.Из чего следует вывод, что форма и размер частиц на входе кюветы даютпредставление о природе частиц, осаждающихся на поверхности ОДМР. На98рисунке 28.б показан внешний вид осевших на поверхности токопроводящейклейкой ленты наночастиц TiO2.абРисунок 28.

Фотографии частиц диоксида титана: а — фотографияпервичного размера частиц диоксида титана, полученная на просвечивающемэлектронном микроскопе JEOLJEM-2100, ускоряющее напряжение 120 кэВ; б— фотография частиц, адсорбированных на поверхность токопроводящейклейкой ленты, полученная на растровом электронном микроскопе Nvision40,ускоряющее напряжение 10 кэВ, детектор Inlens5.4Методика активации поверхностных связей ОДМР, позволяющаяизмерить концентрацию наночастиц в водной средеДля адгезии наночастиц на поверхность ОДМР необходимо активироватьповерхностные связи. Эту процедуру возможнопровести различнымиметодами, среди них: воздействие температуры, выдерживание в растворахминеральных кислот, нанесение селектирующих покрытий, УФ-озонирование ивыдерживание в дистиллированной воде.Для исследования концентрации наночастиц в водной среде былиспользован стенд, схема которого представлена на рисунке 29.99Рисунок 29.

Схематическое изображение детектора наночастиц: 1 —система накачки (А — блок питания полупроводникового перестраиваемоголазера, Б — полупроводниковый перестраиваемый лазер, В — изоляторФарадея); 2 — кюветы со сменным ОДМР; 3 — системы детектирования.Стенд состоит из нескольких систем: системы накачки, кюветы сосменным ОДМР и системы детектирования. Стенд работает следующимобразом, исследуемый образец поступает в кювету с ОДМР, частицыадсорбируются на поверхность ОДМР, тем самым изменяя его частотныехарактеристики. Контроль положения ОДМР и количества частиц на егоповерхности происходит посредством видеокамеры с CCD матрицей SONYICX205, 1/2" и микро объектива 4,7 крат и числовой аппретурой 0,11.Для эксперимента использовались наночастицы серебра в растворе H2Oиз AgNO3, метод получения полностью повторял Leopold N.

& Lendl B.Геометрические размеры диаметров сфер измерялись методом динамическогорассеивания света и составили 80,9 ± 3,4 нм и 14,3 ± 1,5 нм. Массоваяконцентрация измерялась при помощи атомно-абсорбционного спектрометра и100составила 5,3 ± 0,3 мкг/л. Исследовались также растворы с концентрациейнаночастиц серебра 0,05 ppm.Методактивациисвязейнаповерхностикварцаприпомощивыдерживания в дистиллированной воде обладает рядом существенныхпреимуществ: не требует локального нагрева до нескольких тысяч градусов,позволяет не уменьшать добротность за счет пленки, которая образуется врастворе минеральных кислот. Использование УФ-озонирования усложняетпроцесс с технической точки зрения, а по времени требует столько же времени,как и выдерживание.

Селектирующие покрытия незначительно уменьшаютдобротность, однако процедура их нанесения требует больших трудозатрат испецифична для каждого исследуемого образца.Процедура гидроксилирования заключалась в выдерживании ОДМР вдистиллированной воде в течение 1 часа, при этом силоксановые связиразрывались с образованием силанольных групп, связанных с поверхностнымиатомами кварца и обладающих высокой реакционной способностью.Первоначально наночастицы не осаждаются на поверхности ОДМР.

Какможно видеть на снимках с камеры контроля характеристик ОДМР, частицысталкиваются и буквально отскакивают от поверхности ОДМР (рисунок 30).Рисунок 30. Внешний вид ОДМР при выдерживании в воде101Визуализация частиц происходит из-за нарушения эффекта полноговнутреннего отражения оптического излучения. Излучение лазера из-заоседания частиц на поверхности ОДМР излучается в пространство.Для детального исследования был использован оптический микроскопVCM-200А в темнопольном режиме при 50-кратном увеличении, с реализациейвозможности получения снимков при изменении фокусного расстояния. Онпозволяет аппаратно создавать темнопольный режим (в англоязычнойлитературе Dark Field). Результаты исследования представлены на рисунке 31.абвгРисунок 31.

Изображения ОДМР после выдерживания в растворе снаночастицами серебра на микроскопе конфокальном сканирующемVCM-200А (режим темного поля, увеличение 50 крат с фокуснымрасстоянием (z): а) z= -9047,9 б) z= -9056,9 в) z= -9071,9 г) z= -9087.102В ходе исследований было выявлено, что наночастицы не адсорбируютсяна поверхности ОДМР (рисунок 31).Было произведено выдерживание ОДМР в воде с несколькимиинтервалами времени, после чего измерялось в режиме темного поляколичество адсорбированных частиц на 5 мкм2, результаты представлены награфике (рисунок 32).Рисунок32.Графикзависимостиосаждениянаночастицнаповерхности ОДМР от времениНа графике видно, что в первые 15 минут процесса осаждения непроисходит, затем силоксановые связи начинают размыкаться и образуютсясиланольные группы на поверхности ОДМР.

Через 60 минут процесс выходитна насыщение, однако незначительное увеличение силоксановых связей всетаки происходит. Как известно из исследования поверхностного кремнезёма вещества сходного с кварцем, зависимость будет продолжать увеличиватьсядальше, но незначительно, этот процесс будет сильно зависеть от значения pH итемпературы [84]. Снимок ОДМР с осевшими наночастицами, подсвеченнымивведенным в резонатор излучением, представлен на рисунке 33. Исходя изэтого можно сделать вывод, что 60 минут достаточно для активации связей.103Рисунок 33.

Изображение ОДМР с осевшими на его поверхностинаночастицами после выдерживания в дистиллированной воде в течение 60минутТаким образом, разработана методика активации поверхности ОДМР,позволяющая измерить концентрацию наночастиц серебра в водной среде приконцентрации 0,05 ppm и выше. Впервые продемонстрирована возможностьвизуализации пространственного положения наночастицы без применениямикроскопии с размерами «зонда» нанометрового диапазона.5.5 Выводы к главе 5В результате была доказана возможность детектирования малыхконцентраций наночастиц диоксида титана в воздухе посредством оптическихдиэлектрических микрорезонаторов.Приведеноположительноеопробованиеметодикиизмеренияконцентрации наночастиц диоксида титана в воздухе.Разработана методика активации поверхности ОДМР, позволяющаяизмерить концентрацию наночастиц серебра в водной среде при концентрации0,05 ppm и выше.104ЗАКЛЮЧЕНИЕ1)позволяетРазработанная методика на основе кругового нагрева оптоволокнасоздаватьОДМРсвоспроизводимымиметрологическимихарактеристиками.

Практическая значимость подтверждается актом внедренияв ФГУП «ВНИИОФИ».2)Показано, что внутренние неоднородности показателя преломленияОДМР не влияют на его добротность.3)Разработанная методика изготовления растянутого оптоволокна спараболической формой перетяжки и диапазоном рабочей длины от 3 до 15 ммобеспечивает плавный переход между диаметрами, значение коэффициентапропускания не менее 98,5 %. Полученная геометрия волокна обладаетнеобходимой жесткостью, позволяя минимизировать влияние электрическогозаряда, накопленного на элементах связи волновод-резонатор, тем самымпозволяяобеспечитьстабильнуюсвязьсОДМР.Научнаяновизнаподтверждается патентом № 52645040 и регистрацией ПО № 2016618965.Практическая значимость подтверждается актам внедрения в МЦКТ.4)Экспериментальноподтвержденавозможностьдетектированиямалых концентраций наночастиц в воздушной среде с помощью ОДМР напримере аэрозоля наночастиц TiO2.5)Разработанная методика активации поверхности ОДМР позволяетизмерить концентрацию наночастиц серебра в водной среде при концентрации0,05 ppm и выше.6)Впервыепродемонстрированавозможностьвизуализациипространственного положения наночастицы без применения микроскопии сразмерами «зонда» нанометрового диапазона.Все эксперименты выполнены при финансовой поддержке Министерстваобразования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения№14.625.21.0041 от 26.09.2017 г.

(уникальный идентификатор прикладныхнаучных исследований RFMEFI62517X0041).105СПИСОК СОКРАЩЕНИЙОДМР — оптические диэлектрические микрорезонаторыХЧ — химически чистыйФИП — фокусированный ионный пучокРОВ — растянутое оптическое волокноОВ — оптическое волокноОРХ — оптическая разность ходаКВС — кислородно-водородная смесь106СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.Брагинский В.Б., В.П. Митрофанов, В.И. Панов Системы с малойдиссипацией. М. «Наука», 1981, 142 с.2.Blair D.G., Evans I.N.

Hight-Q microwave properties of a sapphire ringresonator //J/ Phys. D. Apll. Phys. V. 15, 1982. O. 1651-1656.3.Braginsky V.B., Ilchenko V.S., Bagdassarov Kh.S. Experimentalobservation of fundamental microwave adsorption in hight-quality dielectriccrystals// Phys.Lett. A.V.120, 1987.P 300.4.Багдасаров Х.С., Брагинский В.Б., Панов В.И., Тимашов А.В.Высокодобротные кольцевые диэлектрические резонаторы// Письма в ЖТФ. Т.7(1), 1981.