Химические сенсоры на основе фотонных коллоидных кристаллов

Цели. Проанализировать результаты исследований формирования фотонно-кристаллических структур из полимерных микросфер, механизмов спектральных сдвигов при селективном отражении от них немонохроматического падающего излучения в видимой и инфракрасной области, а также применения этих структур в качестве сенсоров для детектирования близких по строению химических веществ.

Результаты. Представлены разработки авторского коллектива, проводимые на кафедре физической химии им. Я.К. Сыркина Института тонких химических технологий РТУ МИРЭА. Рассмотрены вопросы, связанные с детектированием близких по химическому строению веществ с помощью сенсоров на основе фотонных кристаллов, изготовленных из коллоидных частиц, представляющих собой полимерные микросферы размерами 160–300 нм. Показано, что детектирование происходит в видимой области спектра за счет регистрации спектрального сдвига отраженного излучения от поверхности кристалла при нанесении веществ из жидкой или газовой фазы.

Выводы. Установлено, что метод электрофоретического осаждения коллоидных частиц в виде полимерных микросфер на проводящих поверхностях позволяет создать упорядоченные структуры на больших площадях. Детектирование индивидуальных соединений оптическим способом невозможно без контроля кинетики спектральных сдвигов отраженного излучения от поверхности фотонных коллоидных кристаллов. Спектральные характеристики такого излучения напрямую связаны с размерами частиц, определяющих период кристаллической решетки. Диффузия химических веществ в фотонный кристалл приводит к набуханию образующих его частиц и смещению спектра отраженного излучения, которое определяется изменением периода кристаллической решетки за счет изменения размеров этих частиц. Предложена модель для описания кинетики процессов набухания полимерных микросфер, описывающая диффузию веществ в пористые полимерные частицы. Показано, что увеличение количества вещества, наносимого на поверхность фотонного кристалла выше предельного, приводит к деградации кристалла, что выражается в «выцветании» его поверхности и проявляется в исчезновении узких пиков отраженного излучения. 

1. Флид В.Р., Леонтьева С.В., Калия О.Л., Дураков С.А. Способ проведения процесса обратимой изомеризации норборнадиена в квадрициклан: пат. RU 2618527 C1. Заявка № 2015148230; заявл. 10.11.2015; опубл. 04.05.2017. Бюл. № 13.

2. Кузнецова Н.А., Калия О.Л., Леонтьева С.В., Манулик О.С., Негримовский В.М., Флид В.Р., Шамсиев Р.С., Южакова О.А., Яштулов Н.А. Катализатор и способ валентной изомеризации квадрициклана в норборнадиен: пат. RU 2470030 C1. Заявка № 2011146910/04; заявл. 21.11. 2011; опубл. 20.11.2012. Бюл. 35. p. 1–9.

3. Шапиро Б.И. Наноархитектура агрегатов полиметиновых красителей. Тонкие химические технологии. 2019;14(2):5–14. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-2-5-14

4. Шапиро Б.И., Соколова Л.С., Кузьмин В.А., Толмачев А.И., Сломинский Ю.Л., Брикс Ю.Л. Влияние мезо-алкильных заместителей в полиметиновой цепи тиакарбоцианинов на морфологию агрегатов красителей. Российские нанотехнологии. 2012;7(5–6):28–33.

5. Шапиро Б.И., Некрасов А.Д., Кривобок В.С., Манулик Е.В., Лебедев В.С. Синтез и фотофизические свойства мультихромных нанокристаллов полиметиновых красителей. Российские нанотехнологии. 2018;13(5–6):67–75.

6. Шапиро Б.И., Некрасов А.Д., Манулик Е.В., Кривобок В.С., Лебедев В.С. Оптические и фотоэлектрические свойства мультихромных J-агрегатов цианиновых красителей. Квантовая электроника. 2018;48(9):856–866.

7. Shapiro B.I., Nekrasov A.D., Krivobok V.S., Lebedev V.S. Optical properties of molecular nanocrystals consisting of J-aggregates of anionic and cationic cyanine dyes. Opt. Express. 2018;26(23):30324–30337. https://doi.org/10.1364/OE.26.030324

8. Большаков Е.С., Щемелев И.С., Иванов А.В., Козлов А.А. Фотонные кристаллы и их аналоги как средство химического анализа. Журн. аналит. химии. 2022;77(10):875–898. https://doi.org/10.31857/S0044450222100036

9. Иванов А.В, Большаков Е.С, Апяри В.В, Козлов А.А, Горбунова М.В, Абдуллаев С.Д. Аналитический отклик сенсорных матриц на основе фотонных кристаллов: измерение диффузного отражения. Журн. аналит. химии. 2019;74(2):154–160. https://doi.org/10.1134/S0044450219020075

10. Козлов А.А., Аксенов А.С., Большаков Е.С., Иванов А.В., Флид В.Р. Фотонные коллоидные кристаллы с управляемой морфологией. Известия Академии наук. Серия химическая. 2022;(10):2037–2051.

11. Ivanov A.V., Kozlov A.A., Koreshkova A.N., Abdullaev S.D., Fedorova I.A. Reflectance spectra of organic matrices on the basis of photonic crystals formed of polystyrene microspheres with a particle size of 230 nm. Moscow Univ. Chem. Bull. 2017;72(1):19–23. https://doi.org/10.3103/S0027131417010060

12. Большаков Е.С., Иванов А.В., Гармаш А.В., Самохин А.С., Козлов А.А., Золотов Ю.А. Комплексный подход к мониторингу летучих органических соединений сенсорными фотонно-кристаллическими матрицами. Журн. неорган. химии. 2021;66(2):220–228. https://doi.org/10.31857/S0044457X21020033

13. Ямановская И.А., Герасимова Т.В., Агафонов А.В. Использование полимер-коллоидных комплексов для получения мезопористого оксида алюминия по темплатному золь-гель методу. Журн. неорган. химии. 2018;63(9):1096–1102. https://doi.org/10.1134/S0044457X18090210

14. Большаков Е.С., Иванов А.В., Козлов А.А., Абдуллаев С.Д. Сенсор на основе фотонного кристалла для обнаружения паров бензола, толуола и о-ксилола. Журн. физ. химии. 2018;92(8):1283–1288. https://doi.org/10.7868/S0044453718080137

15. Kozlov A.A., Abdullaev S.D., Aksenov A.S., Ivanov A.V., Semina Yu.A. Irreversible destruction of reflected radiation from the surface of photonic crystal. Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods and Technologies. 2018;12:64–71. URL: https://www.scientific-publications.net/en/article/1001683/

16. Ishii H., Kuwasaki N., Nagao D., Konno M. Environmentally adaptable pathway to emulsion polymerization for monodisperse polymer nanoparticle synthesis. Polymer (Guildf). 2015;77(23):64–69. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2015.09.002

17. Tran G.T.H., Koike M., Uchikoshi T., Fudouzi H. Fabrication of polystyrene colloidal crystal film by electrophoretic deposition. Adv. Powder Technol. 2020;31(8):3085–3092. https://doi.org/10.1016/j.apt.2020.05.029

18. Rakers S., Chi L.F., Fuchs H. Influence of the Evaporation Rate on the Packing Order of Polydisperse Latex Monofilms. Langmuir. 1997;13(26):7121–7124. https://doi.org/10.1021/la970757c

19. Dimitrov A.S., Nagayama K. Continuous Convective Assembling of Fine Particles into Two-Dimensional Arrays on Solid Surfaces. Langmuir. 1996;12(5):1303–1311. https://doi.org/10.1021/la9502251

20. van Blaaderen A., Ruel R., Wiltzius P. Templatedirected colloidal crystallization. Nature. 1997;385(6614):321–324. https://doi.org/10.1038/385321a0

21. Mayoral R., Requena J., Moya J.S., López C., Cintas A., Miguez H., Meseguer F., Vázquez L., Holgado M., Blanco Á. 3D Long-range ordering in ein SiO2 submicrometer-sphere sintered superstructure. Adv. Mater. 1997;9(3):257–260. https://doi.org/10.1002/adma.19970090318

22. Gu Z-Z., Fujishima A., Sato O. Fabrication of HighQuality Opal Films with Controllable Thickness. Chem. Mater. 2002;14(2):760–765. https://doi.org/10.1021/cm0108435

23. Jiang P., Bertone J.F., Hwang K.S., Colvin V.L. Single-crystal colloidal multilayers of controlled thickness. Chem. Mater. 1999;11(8):2132–2140. https://doi.org/10.1021/cm990080

24. Tran G.T.H., Koike M., Uchikoshi T., Fudouzi H. Rapid Growth of Colloidal Crystal Films from the Concentrated Aqueous Ethanol Suspension. Langmuir. 2020;36(36):10683–10689. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c01048

25. Ferreira J.A., Pena G., Romanazzi G. Anomalous diffusion in porous media. Appl. Math. Model. 2016;40(3):1850–1862. https://doi.org/10.1016/j.apm.2015.09.034

26. Абдуллаев С.Д., Козлов А.А., Флид В.Р., Грицкова И.А. Получение и свойства упорядоченных структур из полимерных микросфер. Известия Академии наук. Серия химическая. 2016;65(3):756–758.

27. Козлов А.А., Буряков А.М., Дворецкий В.А., Хусяинов Д.И. Детекторы терагерцового диапазона для анализа дефектов фотонных кристаллов из полимерных микросфер. В сб.: Тезисы докладов XI Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения». Иваново, Россия. 2021. С. 226.

28. Mastilovic S. Some sigmoid and reverse-sigmoid response patterns emerging from high-power loading of solids. Theor. Appl. Mech. 2018;45(1):95–119. https://doi.org/10.2298/TAM171203007M

29. Бекман И.Н. Математика диффузии. М.: ОнтоПринт; 2016. 400 с.

30. Metzler R., Klafter J. The random walk’s guide to anomalous diffusion: a fractional dynamics approach. Phys. Rep. 2000;339(1):1–77. https://doi.org/10.1016/S0370-1573(00)00070-3

31. Arkhincheev V., Nomoev A. About nonlinear drift velocity at random walk by Levy flight: analytical solution and numerical simulations. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 1999;269(2–4):293–298. https://doi.org/10.1016/S0378-4371(99)00113-2

32. Huang F., Liu F. The time fractional diffusion equation and the advection-dispersion equation. ANZIAM J. 2005;46(3):317–330. https://doi.org/10.1017/S1446181100008282

33. del-Castillo-Negrete D., Carreras B.A., Lynch V.E. Front Dynamics in Reaction-Diffusion Systems with Levy Flights: A Fractional Diffusion Approach. Phys. Rev. Lett. 2003;91(1):018302. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.018302

34. O’Shaughnessy B., Procaccia I. Diffusion on fractals. Phys. Rev. A. 1985;32(5):3073–3083. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.32.3073

35. Ali A.I., Kalim M., Khan A. Solution of Fractional Partial Differential Equations Using Fractional Power Series Method. Int. J. Differ. Equ. 2021;2021(Article ID 6385799):17 pages. https://doi.org/10.1155/2021/6385799

36. Волынский А.Л., Ярышева Л.М., Бакеев Н.Ф. Визуализация структурных перестроек, сопровождающих деформацию аморфных полимеров. Высокомолекулярные соединения. Серия А. 2011;53(10):1683–1713.