eng
Выпуск #4/2017
М.А.Казарян, В.И.Красовский, И.Н.Феофанов, Д.М.Кричевский, И.Г.Лихачев, А.В.Куликовский, Р.А.Захарян, В.И.Пустовой, А.В.Заседателев
Оптоволоконный датчик NO2
Оптоволоконный датчик NO2
Просмотры: 4026
Предложен метод измерения малых концентраций окиси азота с использованием оптоволоконного интерферометрического датчика. Для повышения чувствительности детектирования площадь поверхности, контактирующая с газом, увеличена путем использования нанопористого Al2O3 и внедрения в его поры гибридных наночастиц.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.64.4.92.95
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.64.4.92.95
Теги: fiber-optic detector hybrid nanoparticles measuring low concentrations of nitric oxide nanoporous al2o3 гибридные наночастицы измерение малых концентраций окиси азота нанопористый al2o3 оптоволоконный датчик
В работе продемонстрирована возможность измерения малых концентраций окиси азота с использованием оптоволоконного интерферометрического датчика. В качестве чувствительного соединения использовался 2(3),9(10),16(17),23(24)-тетра-трет-бутил фталоцианин хлоралюминия (AlPc), структурная схема которого представлена на рис.1.
Чувствительность к двуокиси азота обычно связывают с тем, что молекула NO2 в системе присоединяется к центральному атому металла фталоцианина (рис.2). В результате происходит перенос отрицательного заряда на NO2, что приводит к изменению электронных уровней и соответственному появлению новой полосы в спектре поглощения [1]. Введение в систему наночастиц золота, обладающих плазмонным резонансом, приводит к увеличению чувствительности за счет того, что молекулы фталоцианина находятся в усиленном локальном поле [2].
В работах [4,5] для создания чувствительных элементов датчиков были использованы ленгмюровские пленки AlPc. Из выводов следовало, что чувствительность датчика не увеличивается при увеличении толщины пленки. Таким образом, для увеличения чувствительности необходимо увеличение площади контактирующей с газом поверхности.
Идея данной работы заключалась в значительном увеличении площади поверхности путем использования нанопористого Al2O3 и внедрения в поры гибридных наночастиц.
Гибридные наночастицы были синтезированы в лаборатории органического синтеза химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова [3,4]. Они представляли собой наночастицы золота (производства Sigma-Aldrich) со средним диаметром 20 нм, на которые была нанесена оболочка из Al-Pc толщиной порядка 2,5 нм. ТЕМ-изображение (рис.3).
Чувствительный элемент представлял собой пластинку из пористого Al2O3, изготовленную методом электрохимического травления в электролите на основе серной кислоты, со средним диаметром пор порядка 50 нм (рис.4). Внедрение наночастиц осуществлялось пропитыванием пластинки пористого Al2O3 коллоидным раствором наночастиц в толуоле и последующем высушиванием.
Принцип работы датчика заключался в Фурье-анализе спектра отражения излучения светодиода от сенсорного элемента, представляющего собой три интерферометра Фабри-Перо, от которых отражается излучение широкополосного источника (светодиода). Аппроксимация спектра позволила с высокой точностью (до 10–6) зарегистрировать изменение эффективного показателя преломления рабочего слоя и учесть влияние температуры [6].
Общая схема измерительной системы [4] представлена на рис.5. Источником излучения служил светодиод с одномодовым оптоволоконным выходом. Для ввода излучения в спектрометр использовался Y-разветвитель. Регистрация спектра отражения производилась с помощью оптоволоконного мини-спектрометра. Двуокись азота получали с помощью типовой реакции титрования меди концентрированой азотной кислотой. Чувствительный элемент был размещен в камере с прокачкой газа. Чувствительность измерений составила порядка 10–12.
Анализ спектров поглощения (рис.6) показал, что за счет экситон-плазмонного взаимодействия может быть достигнуто увеличение чувствительности датчика до 8 раз на длинах волн 513 нм и 532 нм (рис.7). Длина волны 532 нм удобна для конструирования промышленных образцов, т. к. совпадает с длиной волны излучения широко распространенных Nd: YAG-лазеров с удвоенной частотой. В нашем случае эффективная площадь датчика составила 0,6 м2, что может увеличить чувствительность до 3–4 порядков по сравнению со схемой, предложенной в [5].
Детальный анализ чувствительности может быть выполнен на основе теоретической модели, основанной на модифицированной теории Ми для металлических частиц с оболочкой и теории эффективных сред в виде соотношений Максвелла-Гарнетта.
Данная работа частично поддержана грантами РФФИ 16-32-80032, 16-02-00694 и Программой Президиума РАН I.39П.
ЛИТЕРАТУРА
1. A.M.Datir, V.S.Ghole, S.D.Chakane. Nickel Phtalocyanine Based Nitrogen Dioxide Gas Sensor. – Journal of Environmental Research And Development, 2012, v. 7, № 1, p.123–130.
2. A.V.Zasedatelev, A.B.Karpo, I.N.Feofanov, V.I.Krasovskii, V.E.Pushkarev. Plasmon-Exciton Interaction in AuNP – Phthalocyanine Core/Shell Nanostructures. – Journal of Physics: CS541, 2014, 012064.
3. A.V.Zasedatelev, V.I.Krasovskii, T.V.Dubinina, D.M.Krichevsky. Plasmon-Exciton interaction in core/shell spherical nanoparticles. – Proc. of SPIE, 2015, 9163 91633 E‑5.
4. D.M.Krichevsky, A.V.Zasedatelev, A.Yu.Tolbin, Yu.M.Zelenskiy, V.I.Krasovskii, A.B.Karpo, L.G.Tomilova. A low-symmetrical zinc phthalocyanine-based Langmuir-Blodgett thin films for NO2 gas sensor applications. – Journal of Physics: Conference Series 737, 2016, 012030.
5. D.M.Krichevsky, A.V.Zasedatelev, A.Yu.Tolbin, Yu.M.Zelenskiy, V.I.Krasovskii, A.B.Karpo, L.G.Tomilova. Enhancement of NO2 gas detection in hybrid silver nanoparticles-phthalocyanine thin films. – Journal of Physics: Conference Series 737, 2016, 012031.
6. К.Б.Дедушенко, С.А.Егоров, Ю.А.Ершов, И.Г.Лихачев. Интерферометрическая волоконно-оптическая измерительная система "Дозор". – Приборы, 2002, № 7, с. 23–27.
Чувствительность к двуокиси азота обычно связывают с тем, что молекула NO2 в системе присоединяется к центральному атому металла фталоцианина (рис.2). В результате происходит перенос отрицательного заряда на NO2, что приводит к изменению электронных уровней и соответственному появлению новой полосы в спектре поглощения [1]. Введение в систему наночастиц золота, обладающих плазмонным резонансом, приводит к увеличению чувствительности за счет того, что молекулы фталоцианина находятся в усиленном локальном поле [2].
В работах [4,5] для создания чувствительных элементов датчиков были использованы ленгмюровские пленки AlPc. Из выводов следовало, что чувствительность датчика не увеличивается при увеличении толщины пленки. Таким образом, для увеличения чувствительности необходимо увеличение площади контактирующей с газом поверхности.
Идея данной работы заключалась в значительном увеличении площади поверхности путем использования нанопористого Al2O3 и внедрения в поры гибридных наночастиц.
Гибридные наночастицы были синтезированы в лаборатории органического синтеза химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова [3,4]. Они представляли собой наночастицы золота (производства Sigma-Aldrich) со средним диаметром 20 нм, на которые была нанесена оболочка из Al-Pc толщиной порядка 2,5 нм. ТЕМ-изображение (рис.3).
Чувствительный элемент представлял собой пластинку из пористого Al2O3, изготовленную методом электрохимического травления в электролите на основе серной кислоты, со средним диаметром пор порядка 50 нм (рис.4). Внедрение наночастиц осуществлялось пропитыванием пластинки пористого Al2O3 коллоидным раствором наночастиц в толуоле и последующем высушиванием.
Принцип работы датчика заключался в Фурье-анализе спектра отражения излучения светодиода от сенсорного элемента, представляющего собой три интерферометра Фабри-Перо, от которых отражается излучение широкополосного источника (светодиода). Аппроксимация спектра позволила с высокой точностью (до 10–6) зарегистрировать изменение эффективного показателя преломления рабочего слоя и учесть влияние температуры [6].
Общая схема измерительной системы [4] представлена на рис.5. Источником излучения служил светодиод с одномодовым оптоволоконным выходом. Для ввода излучения в спектрометр использовался Y-разветвитель. Регистрация спектра отражения производилась с помощью оптоволоконного мини-спектрометра. Двуокись азота получали с помощью типовой реакции титрования меди концентрированой азотной кислотой. Чувствительный элемент был размещен в камере с прокачкой газа. Чувствительность измерений составила порядка 10–12.
Анализ спектров поглощения (рис.6) показал, что за счет экситон-плазмонного взаимодействия может быть достигнуто увеличение чувствительности датчика до 8 раз на длинах волн 513 нм и 532 нм (рис.7). Длина волны 532 нм удобна для конструирования промышленных образцов, т. к. совпадает с длиной волны излучения широко распространенных Nd: YAG-лазеров с удвоенной частотой. В нашем случае эффективная площадь датчика составила 0,6 м2, что может увеличить чувствительность до 3–4 порядков по сравнению со схемой, предложенной в [5].
Детальный анализ чувствительности может быть выполнен на основе теоретической модели, основанной на модифицированной теории Ми для металлических частиц с оболочкой и теории эффективных сред в виде соотношений Максвелла-Гарнетта.
Данная работа частично поддержана грантами РФФИ 16-32-80032, 16-02-00694 и Программой Президиума РАН I.39П.
ЛИТЕРАТУРА
1. A.M.Datir, V.S.Ghole, S.D.Chakane. Nickel Phtalocyanine Based Nitrogen Dioxide Gas Sensor. – Journal of Environmental Research And Development, 2012, v. 7, № 1, p.123–130.
2. A.V.Zasedatelev, A.B.Karpo, I.N.Feofanov, V.I.Krasovskii, V.E.Pushkarev. Plasmon-Exciton Interaction in AuNP – Phthalocyanine Core/Shell Nanostructures. – Journal of Physics: CS541, 2014, 012064.
3. A.V.Zasedatelev, V.I.Krasovskii, T.V.Dubinina, D.M.Krichevsky. Plasmon-Exciton interaction in core/shell spherical nanoparticles. – Proc. of SPIE, 2015, 9163 91633 E‑5.
4. D.M.Krichevsky, A.V.Zasedatelev, A.Yu.Tolbin, Yu.M.Zelenskiy, V.I.Krasovskii, A.B.Karpo, L.G.Tomilova. A low-symmetrical zinc phthalocyanine-based Langmuir-Blodgett thin films for NO2 gas sensor applications. – Journal of Physics: Conference Series 737, 2016, 012030.
5. D.M.Krichevsky, A.V.Zasedatelev, A.Yu.Tolbin, Yu.M.Zelenskiy, V.I.Krasovskii, A.B.Karpo, L.G.Tomilova. Enhancement of NO2 gas detection in hybrid silver nanoparticles-phthalocyanine thin films. – Journal of Physics: Conference Series 737, 2016, 012031.
6. К.Б.Дедушенко, С.А.Егоров, Ю.А.Ершов, И.Г.Лихачев. Интерферометрическая волоконно-оптическая измерительная система "Дозор". – Приборы, 2002, № 7, с. 23–27.
Отзывы читателей
