Диссертация (1149201), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Исследованиефизико-химических свойств полученной системы, а так же изучение еефункциональных свойств, таких как гигантское комбинационное рассеяниесвета и сорбция. Исследование влияния физико-химических характеристик(размер, морфология, состав) полученных систем на ее оптические свойства.Сопоставлениеоптическихэкспериментальныхсвойствсистемы,данныхобладающейимодельныхплазмоннымрасчетоврезонансом.Исследование функциональных свойств полученной системы на следующихобъектах: стандартные красители, суперэкотоксиканты, биологическиематериалы.В соответствии с целью исследования были поставлены следующиезадачи:[I] Разработка физических основ лазерного метода формирования ГКРактивных наноструктур;[II] Создание гибридных наноструктур системы С-Au-Ag на основеполученного метода;7[III] Исследование физико-химических характеристик (размер, морфология,состав) полученных гибридных наноструктур методами сканирующейэлектронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии,спектроскопии энергетической дисперсии, спектроскопии комбинационногорассеяния света, ИК-Фурье спектроскопии и спектроскопии поглощения;[IV] Исследование влияния дозы лазерного воздействия и температурыотжига на состав, морфологию и размер гибридных С-Au-Ag наноструктур;[V] Исследование оптических свойств полученной системы и сопоставлениес модельным экспериментом;[VI] Исследование ГКР-активности полученных гибридных наноструктур настандартных красителях (Родамин 6Ж и Бриллиант зеленый) в зависимостиот их физико-химических свойств (состав, морфология);[VII] Получение сигнала ГКР низких концентраций суперэкотоксикантов(антрацен) и биологических объектов (препарат крови, альбумин).Научная новизна:[I] Разработан новый лазерный метод формирования ГКР-активныхнаноструктур.[II] Впервые при помощи разработанного метода получены гибридныенаноструктуры системы углерод-золото-серебро.[III] Показано, что полученные гибридные С-Au-Ag наноструктурыпредставляютсобойсферы(диаметрот20до300нм)изгидрогенизированного углерода со стохастически распределенными в объемебиметаллическими Au-Ag нанокластерами (диаметр от 2 до 5 нм).[IV] Показано, что полученные гибридные С-Au-Ag наноструктуры обладаютплазмонным резонансом и их оптические свойства описываются модельюМаксвелла-Гарнетта.[V] Показано, что полученные гибридные С-Au-Ag наноструктуры являютсяГКР-активными и обладают сорбционными свойствами.8[VI] Продемонстрирована возможность использования гибридных С-Au-Agнаноструктур для детектирования и идентификации суперэкотоксикантов ибиологических объектов методом ГКР.Научная и практическая ценность.
Разработаны физические принципылазерного метода формирования ГКР-активных наноструктур. Выполненныеисследования позволили предложить эффективный одностадийный способполучения гибридных наноструктурированных материалов, основанный навоздействиинизкоинтенсивногометаллоорганическоголазерногокомплекса.излученияРезультатомналазерногорастворвоздействияявляется формирование углеродно-металлических наноструткур.
Предложенновый гибридный С-Au-Ag материал для сорбции и усиления сигнала КРСисследуемых веществ с малой концентрацией.Положения, выносимые на защиту:[I] Разработанный лазерный метод позволяет получать гибридные С-Au-Agнаноструктуры,накомбинационногокоторыхрассеяниянаблюдаетсясвета.Показано,эффектчтогигантскогонаноструктурыформируются в результате резонансного возбуждения физической системы(металлоорганическогокомплекса)низкоинтенсивнымнепрерывнымлазерным излучением с энергией квантов в диапазоне от 3 до 4.5 эВ.[II]Установленопросвечивающейметодамисканирующейэлектроннойэлектронноймикроскопии,микроскопии,спектроскопиикомбинационного рассеяния света, ИК-Фурье и спектроскопии поглощения,что полученные наноструктуры представляют собой гибридный материал:сферы из аморфного гидрогенизированного углерода (20-300 нм) состохастическираспределеннымивобъемебиметаллическимиAu-Agнанокластерами (2-5 нм).[III] Показано, что размер, морфология и состав гибридных С-Au-Agнаноструктур могут быть получены с наперед заданными параметрами наэтапе лазерного синтеза при дозах лазерного облучения от 6 до 90 Вт*с/см2 ипоследующего отжига при нормальных условиях с температурой отжига от9~100 до 300 0С.
Спектры поглощения гибридных наноструктур определяютсясоставом, средним размером металлических наночастиц и расстояниеммежду металлическими наночастицами.[IV] Показано, что наблюдается эффект гигантского комбинационногорассеяния света для низкоконцентрированных растворов органических ибиологических веществ (растворы Р6Ж (10-6 г/л), антрацена (10-6 г/л), крови(2 г/л), альбумина (10-2 г/л)) на гибридных C-Au-Ag наноструктурах.Коэффициент усиления комбинационного рассеяния света составляет более5*105.Достоверностьрезультатовивыводовработыобеспечиваетсявоспроизводимостью полученных данных и теоретическими расчетами.Апробация работы:Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научныхконференциях:Международнаяконференция«Приоритетныенаправлениянаучныхисследований нанообъектов искусственного и природного происхождения»STRANN, St.
Petersburg, Russia, 2014; VIII Всероссийская конференция смеждународным участием молодых ученых по химии «Менделеев 2014»;International student conference “Science and Progress” St. Petersburg, Russia,2013; X Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПбГУИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 2013; ICONO/LAT 2013 Moscow, Russia;МеждународнаяНобелевскихпрактическаяпремийвнаучно-конференцияразвитиимировой«Рольцивилизациилауреатовинаучно-технического прогресса», Санкт-Петербург, Россия, 2013; Laser Optics, St.Petersburg, Russia, 2012; Humboldt Colloquium "The Role of FundamentalSciences in Society“ 2012; I Всероссийский конкурс молодых ученых, СанктПетербург, Россия, 2012; Международная научная конференция студентов,аспирантовконференцияимолодыхученых«Приоритетные«Ломоносов» 2012;направлениянаучныхМеждународнаяисследованийнанообъектов искусственного и природного происхождения» STRANN, St.10Petersburg, Russia, 2011; International student conference “Science and Progress”St.
Petersburg, Russia, 2011.Публикации и личный вклад автора:По теме диссертации опубликованы 6 статей в журналах ВАК, 1 патент, 1монография и 12 тезисов докладов. Личный вклад автора заключается в том,что диссертантка принимала участие в постановке и решении задач,обработкеиобсужденииполученныхрезультатов;выборобщегонаправления исследований и оптимальных методик измерения и расчетовосуществлялись в соавторстве с сотрудниками СПбГУ, в первую очередь – сИ.Ч.
Машеком, А.А. Маньшиной, А.В. Поволоцким и с Д.А. Ивановым.Подавляющеебольшинствопредставленныхвдиссертацииэкспериментальных результатов получены автором лично.Объем и структура работы:Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатови выводов, и списка литературы. В первой главе диссертации отраженаактуальность использования метода гигантского комбинационного рассеяниясвета (ГКР) для обнаружения и детектирования следовых количеств веществ.Описаны наиболее широко применяемые современные лазерные методысоздания ГКР-активных материалов. Цель обзора - систематизированиезнаний о методах формирования, функциональных свойствах и возможныхмоделях описания сложных физических систем - гибридных материалов,состоящихиздиэлектрическуюнаночастицматрицу.благородныхметаллов,Рассматриваютсяпомещенныхвозможныевприменениягибридных материалов в спектроскопии гигантского комбинационногорассеяния света для решения задач биофизики, физики поверхности,аналитической химии и т.д.Вторая глава посвящена описанию экспериментальной установки илазерной методики создания ГКР-активных наноструктур, а так же методам11исследования состава, структуры и оптических свойств полученныхнаноструктур.В третьей главе представлены экспериментальные результаты поформированию гибридных C-Au-Ag наноструктур, атак же исследованию ихфизико-химических свойств.В четвертой главе обсуждаются функциональные свойства гибридныхC-Au-Ag наноструктур, полученных лазерным методом формирования ГКРактивных наноструктур.Общий объем диссертации 129 страниц машинописного текста,включая 68 рисунков и 4 таблицы.
Список литературы содержит 160наименований.12Глава 1. Обзор современного состояния исследований по темедиссертацииНанотехнологии в последнее время стали одной из наиболееперспективных и динамично развивающихся областей знаний. Активноеразвитиетакихтехнологийповсемумируобеспечиваетсямеждисциплинарностью исследований, широким взаимопроникновениемидей и разработок, интеграцией методов и процессов из различных областейзнаний, а также созданием композитных наноматериалов из различных посвоей природе и происхождению веществ.
Современные нанотехнологиитрансформируют и модифицируют устоявшиеся научные дисциплины ипозволяют открывать новые направления исследований. Широкий интерес кнаноматериалам обусловлен тем, что при переходе в наноразмерноесостояние происходит изменение ряда фундаментальных свойств вещества.Установлено [47], что в системах, которые содержат наночастицы ≤ 100 нм,наблюдаются такие размерные эффекты, которые не характерны для макросостояний. В наночастицах отношение площади поверхности к объемунамного больше, чем в макро объектах, что приводит к относительнобольшим значениям свободной энергии поверхности наночастиц.Исследование наночастиц металлов играет основополагающую роль вразвитии современной науки о нанотехнологиях. В связи с тем, что такиенанообъектыобладаютширокимспектромвозможностейдляихпрактического применения, где будут использованы специфические свойстваметаллических наночастиц, и материалов, которые модифицированы с ихпомощью.1.1 Гигантское комбинационное рассеяние светаСпектроскопия КРС является эффективным методом исследованиястроения макромолекул и их конформационных изменений, а также13используетсядляизученияструктуры,состававеществаиеговзаимодействия с окружающей средой, что важно для фармацевтики,экологии,аналитическойхимии[48,49],биосенсорики[50,51],биомедицинской диагностики и наномедицины [52-54].
В то же время, этотметод отличается низкой чувствительностью. Однако возможности методаКРС сильно возрастают при использовании специально созданных подложек,на которые наносится исследуемое вещество. В начале 80-х годов такуюразновидностьметоданазвалиспектроскопиейгигантскогокомбинационного рассеяния света (ГКР). Этот подход позволил резкоснизить необходимую концентрацию исследуемого вещества, а такжеповысить информативность за счет высокой селективности анализа. Наданный момент метод ГКР является одним из наиболее чувствительных иэффективных методов детектирования очень малых концентраций вещества[48-50, 53, 54]. Для реализации этого метода обычно используютсянаночастицы благородных металлов или специально созданные подложки, вкоторыхнаблюдаетсяповерхностныйплазмонныйрезонанс.Привозбуждении образца, находящегося в непосредственном контакте споверхностью, покрытой серебром, золотом или платиной, лазернымизлучением с соответствующей длиной волны интенсивность спектров КРСадсорбированных молекул усиливается на несколько порядков [55-57].Существует достаточно большое количество теорий, объясняющихэффект ГКР [4], однако наиболее популярным и экспериментальноподтвержденным является объяснение в терминах резонансного КРС,обусловленногоэлектромагнитнымэлектромагнитногомеханизмалежитмеханизмом.резонансноеВосновевзаимодействиеоптического излучения с поверхностными плазмонами, приводящее крезкомувозрастаниюлокальногоэлектромагнитногополя.Другимобъяснением ГКР в настоящее время принято считать химический механизм[58].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
