WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК 621.372; 621.373 Алешин Юрий Константинович ДИАГНОСТИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ И ОБЪЕМНЫХ СТРУКТУРНЫХ МОДИФИКАЦИЙ РАЗЛИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЬЕЗОКВАРЦЕВОГО СЕНСОРА 01.04.03 – радиофизика 01.04.01 – приборы и техника физического эксперимента

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2009 1

Работа выполнена на кафедре фотоники и физики микроволн (ранее радиофизики) физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный консультант: Доктор физико-математических наук, профессор А. П. Сухоруков

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор А. А. Волков Доктор физико-математических наук, профессор Н. Л. Левшин

Ведущая организация: Московский авиационный институт (государственный технический университет)

Защита состоится «11» июня 2009 года в 1600 на заседании диссертационного совета Д501.001.67 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, Ленинские горы, МГУ. Д.1, стр.2, физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научной библиотеки им. А.М. Горького МГУ им. М.В.Ломоносова (физический факультет).

Автореферат разослан «_» _ 2009 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д.501.001.67 кандидат физико-математических наук, доцент А.Ф. Королев 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В современных научных исследованиях, проводимых в области биохимии, физической химии, химической физики и нанотехнологий, важную роль играют сверхчувствительные методы измерения физических характеристик различных веществ. Среди них особое место занимают методы, применяющие пьезокварцевые резонаторы (ПКР). Их работа основана на высокой чувствительности частоты колебаний кристалла кварца к внешним воздействиям, таким как температура, давление, присоединение массы, структурные модификации веществ, находящихся в контакте с пьезоэлементом и т.д. В частности, в установках по вакуумному напылению пьезодатчики (ПД) применяются в качестве толщиномеров для контроля роста пленок.

Для аналитического определения концентраций индивидуальных веществ в жидких средах и толстых пленочных покрытиях в реальном времени широко используется метод пьезокварцевого микровзвешивания.

Однако в настоящее время при разнообразии объектов тестирования с помощью селективных покрытий применяется, как правило, методика проведения диагностики, основанная на результатах предварительных измерений свойств пленок при вакуумном напылении без учета воздействия внешних физических факторов на работу ПД. Поэтому при исследовании различных физико-химических процессов необходимо каждый раз проводить тщательную калибровку ПД, используя независимые методы измерения изучаемых свойств. С этой целью необходимо установить связь физических процессов на поверхности ПКР с перестройкой частоты пьезокварцевого генератора. Таким образом, для решения аналитических задач требуется модифицировать поверхность ПКР под выбранные сенсоры и затем применить откалиброванные методы пьезокварцевого микровзвешивания. С помощью таких ПД можно проводить измерения физических полей и определять параметры окружающей среды.

Цель работы: изучить процессы механических и электрофизических воздействий на поверхность ПКР, изменяющих его колебательные характеристики, такие как резонансная частота, добротность, ширина резонанса и т.д. Экспериментально и теоретически изучить возможности применения ПКР в качестве селективных датчиков для измерения физических и физико-химических характеристик окружающих газовых и жидких сред. Разработать экспериментальные установки с активными и пассивными ПКР, позволяющими изучать в режиме реального времени изменения концентрации индивидуальных химических и биохимических веществ, диэлектрическую проницаемость жидкостей, а также измерять индукцию магнитного поля.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- изучение совокупности физических и физико-химических процессов на поверхности и в объеме ПКР, являющегося частотозадающим элементом комплекса пьезокварцевого микровзвешивания;

- экспериментальное подтверждение модели, описывающей линейный уход базовой частоты ПКР при нанесении массы на его поверхность;

- изучение процессов формирования слоев на поверхности ПКР в установке по измерению кривых сорбции-десорбции в газовой фазе;

- выполнение селективных многослойных покрытий на поверхности датчика в жидкой фазе, окружающей резонатор;

- исследование влияния характеристик окружающей датчик жидкости на изменение его базовой частоты.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана и создана установка для параллельного электрохимического измерения нанесенного слоя вещества, которая применена для калибровки чувствительности ПД, использующего методику пьезокварцевого микровзвешивания;

- экспериментально установленная линейная зависимость ухода базовой частоты генератора с ПКР от присоединенной к его поверхности массы в большом 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 ПКР на основе анализа данных измерений массы каждого слоя;

- химическое присоединение антитела к вирусу картофеля на поверхности ПКР и создан масс-чувствительный датчик селективного определения антигенов в растворе;

- метод диэлектрометрии бинарных жидких сред, основанный на зависимости диэлектрической проницаемости от объемной концентрации компонент, применен к анализу структурных изменений в системе «этиловый спирт – вода».

Достоверность результатов диссертации обеспечена корректностью решаемых задач и экспериментальным их сопровождением, использованием обоснованных методов расчетов моделей, а также хорошим совпадением полученных результатов с данными моделирования.

Научная и практическая значимость работы:

Разработанный и апробированный большой класс ПД с селективными покрытиями для прямого определения с высокой точностью концентраций индивидуальных веществ в жидких и газовых средах может найти применение в аналитических приложениях физической химии, биохимии, физической метрологии и нанотехнологий.

Методика измерения диэлектрической проницаемости бинарных смесей позволяет определять структурные изменения при варьировании соотношения концентраций их компонент.

Нанесение магниточувствительных покрытий на поверхность ПКР позволяет регистрировать индукцию неоднородного магнитного поля.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод калибровки чувствительности пьезокварцевого микровзвешивания с помощью контроля ПКР-измерений электрохимическим способом.

2. Соотношение между частотой ПКР и диэлектрической проницаемостью окружающей среды, учитывающее влияние геометрических размеров резонатора. Экспериментальное подтверждение этого соотношения во всем частотном диапазоне ПКР - генератора.

3. Создание сенсора неоднородного магнитного поля с помощью нанесения на поверхность ПКР слоя «магнитной» жидкости, испытывающего механическое воздействие и тем самым меняющего базовую частоту.

4. Зависимость диэлектрической проницаемости от концентрации бинарной смеси «спирт-вода», определенная методом погружения ПКР в жидкость.

Личный вклад диссертанта.

Диссертантом лично проведено теоретическое моделирование, разработаны методики измерений и созданы экспериментальные установки.

Он лично вместе с соавторами провел измерения и провел анализ полученных результатов.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на VII, VIII, IX, X и XI Всероссийских школах-семинарах "Физика и применение микроволн" (Московская область, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 гг.), VII и X Всероссийских школах-семинарах “Волновые явления в неоднородных средах” (Московская область, 2000, 2006 гг.), IV конференции «Химики Северного Кавказа – производству» (Махачкала, 21-24 мая 1996г.), 7-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (Москва, МВТУ им. Н. Э. Баумана, 28-30 ноября 2000 г.), VIII Международном симпозиуме ФЭКС (Светлогорск, Россия, 18-25 сентября 2005 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 кафедр химии нефти, коллоидной химии и электрохимии химического факультета МГУ, кафедры фотоники и физики микроволн (радиофизики) физического факультета МГУ.

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 4 статьях и 14 тезисах докладов, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 87 наименований. Общий объем работы составляет 140 страниц, 56 рисунков и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обосновывается актуальность избранной темы, формулируются цель работы, защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость, излагается общая постановка задач и описывается структура диссертации. Представлен обзор литературы, в котором кратко описано явление пьезоэлектричества. Приведены принципы работы ПКР и особенности технологического применения резонаторов открытого типа в качестве сенсоров, их преимущества и возможные режимы стабильной работы. Представлен метод пьезокварцевого микровзвешивания, проанализированы особенности его экспериментальной реализации в зависимости от внешних условий, радиофизических параметров схемы генераторов и различных вариантов покрытий электродов ПД. Обсуждены возможности применения пьезосенсоров в исследованиях по нанотехнологиям, физике поверхности, аналитической, физической, биологической химии и химической физики; особенно в условиях жидких сред. Дается анализ методик экспериментальных измерений физических характеристик сред, окружающих пьезорезонатор.

Во второй главе исследовались свойства нанесенного однослойного покрытия электрода ПКР. Присоединенный слой вещества одного химического состава и структуры позволил определять индивидуальные характеристики взаимодействия систем: «слой-металл», «слой сорбентапары» и «магнетит-индукция слабого магнитного поля».

Описана установка, позволяющая определять чувствительность метода пьезокварцевого микрозвешивания с помощью электрохимических методов, и приведены данные соответствующих экспериментов. Калибровка пьезокварцевого датчика производилась в процессе электрохимического осаждения на поверхность электрода серебра и меди при непрерывно действующей установке микровзвешивания. Осаждение осуществляется с точностью не менее чем 10 нг. Для устранения возможных химических реакций использовались специальные электролиты. Во время эксперимента поддерживалась температура 20оС. В работе использовались бидистиллированная вода и образцы химически чистых веществ, полученных путем перегонки (марки ХЧ), дважды перекристаллизованные соли. Снятие (растворение) и осаждение проводилось при различных режимах: изменялась величина тока от 10 мкА до 150 мкА, изменялись времена пропускания тока от 10 с до 100 с. Экспериментально найдены коэффициенты чувствительности: (4.1 ± 0.05) нг/Гц см2 при осаждении серебра, 4.3 ± 0.нг/Гц см2 при растворении серебра, 4.0 ± 0.05 нг/Гц см2 при осаждении меди, 4.1 ± 0.05 нг/Гц см2 при растворении меди. Расхождение между чувствительностями для разных металлов обусловлено упругомеханическими свойствами наносимых пленок.

Эксперимент по определению частотного диапазона уверенной работы пьезокварцевого сенсора показал, что генерация прекращается при изменении частоты резонатора f = - (1012) кГц. Описанная установка не только измеряет чувствительность ПКР, но также является высокоточным масс-чувствительным датчиком электрохимических процессов на поверхности электрода ячейки.

Приведены результаты применения ПКР с базовой частотой колебаний 10 мГц в качестве сенсора ароматических углеводородов, содержащихся в парах и газах при большой массе модифицированного слоя. На созданной установке получены кривые ухода частоты при сорбции – десорбции паров и газов на поверхности модифицированного ПКР. В ее работе заложен принцип динамического разбавления. Содержание органических веществ в газовом потоке контролировалось с помощью газового хроматографа (в качестве эталона использовался толуол). Для повышения чувствительности и надежности работы сенсоров оптимизированы методики нанесения аэросила (А-380), тетраэтоксисилана (ТЭОС). Оба вещества представляют собой сильнопористые структуры, которые обладают сорбционной избирательностью при регистрации паров исследуемого вещества, а не газа носителя. Исследование адсорбционных свойств модифицированных ПКР потребовало получения разбавленных газовых смесей. Измерения проводились по методу насыщения газа-носителя парами компонента.

Данный метод обеспечивает простоту проведения измерений, возможность быстрой замены адсорбата и контроля концентрации разбавленных газовых смесей. Для выявления оптимального количества наносимого адсорбента была исследована зависимость ухода базовой частоты модифицированного резонатора от массы нанесенного покрытия. Однако углы наклона экспериментально полученных прямых различались для разных сорбентов:

для Аэросилы f (кГц) = 1.22 m (мкг); для ТЭОС f (кГц) = 2 m (мкг).

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»