Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) Часть 2)

Фотонные кристаллы. Использование фотонных кристаллов (ФК) как структур, имеющих периодический коэффициент преломления, в качестве основы чувствительных датчиков перспективно для развития новых вариантов химического анализа. Фотонные кристаллы представляют собой упорядоченные системы, меняющие свои оптические свойства при отражении «белого света» от их поверхности. Одним из способов формирования ФК является самоорганизация из коллоидных частиц субмикронных размеров (для видимого диапазона 150-280 нм), в частности полимерных микросфер. В этом случае кристалл получается в результате испарения жидкой фазы при нанесении капли суспензии из полимерных микросфер на поверхность подложки. Оптические спектры проходящего и отраженного излучения для ФК имеют ряд максимумов, образующихся в результате дифракции и интерференции света на микросферах, составляющих упаковку ФК. Внутри структуры ФК формируются разрешенные и запрещенные зоны для фотонов с различной энергией. В запрещенной зоне плотность фотонов в материале становится минимальной, что приводит к избирательному отражению света, а в итоге - - к батохромному сдвигу спектров зеркального и диффузного отражения ФК. Изменение коэффициента преломления под действием различных аналитов позволяет создавать сенсорные матрицы на основе ФК. Исследованы упорядоченные структуры наноразмерных частиц, сформированные на различных подложках и покрытые полимерной матрицей. Регулярные структуры получали из полистирольных сфер с диаметрами 170, 230, 250 и 280 нм методом самоорганизации из водной или водно-изопропанольной суспензии [2]. Полученные структуры представляют собой поликристаллы, состоящие из фрагментов упорядоченных частиц, расположенных в узлах гранецентрированной кубической решетки. В качестве подложек использовали стекло, поликарбонат и полиэтилентерефталат. Упаковку полистирольных сфер закрывали матрицей из полидиметилсилоксана толщиной 350-400 мкм. Толщина пленки влияет на скорость отклика датчика за счет изменения времени диффузии аналита к фотонной структуре. Метод спектроскопии диффузного отражения, как интегральный и экспрессный, предложено использовать для изучения воздействия ароматических неполярных растворителей (бензола, толуола, ксилола) на сенсорную матрицу на основе ФК [3]. Оценена скорость взаимодействия ФК с растворителями и их насыщенными парами в статических условиях. Выявлено закономерное увеличение времени отклика на кристаллах с диаметром сфер 170 и 280 нм на всех типах подложек в ряду неполярных растворителей: бензол, толуол и о-ксилол. Так, батохромный сдвиг максимума спектра для сенсорной матрицы происходит за 3-4 мин в случае бензола и за 6-8 мин в случае толуола и о-ксилола, для паров это время увеличивается до 30-200 мин. Наибольшую практическую ценность представляют структуры с диаметром сфер 170 нм, так как после взаимодействия с растворителем расположение запрещенной зоны изменяется с 450 до 610 нм, что позволяет задействовать весь диапазон области видимого света (рис. 1). Предположительно, за механизм спектрального сдвига отвечают два фактора: изменение среднего коэффициента преломления периодической структуры и набухание полимерного кристаллического коллоидного массива, приводящие к изменению периода решетки. Показана возможность практического применения сенсоров на основе фотонных кристаллов для селективного определения растворителей по кинетическим характеристикам (так называемая кинетическая селективность). 18 16 14 S 12 иГ К 6 4 2 400 450 500 550 600 650 Длина волны,нм Рис. 1. Максимум спектра диффузного отражения ФК на поликарбонатной подложке: исходный (1) и после воздействия насыщенных паров о-ксилола в течение 15 (2); 30 (3); 60 (4); 120 (5); 240 (6) мин Кратковременное воздействие (до 30-40 мин) неполярных растворителей на сенсорную матрицу полистирольных частиц приводит к значительному увеличению интенсивности отражаемого излучения, наибольшее увеличение наблюдали на подложке из поликарбоната. После более продолжительного воздействия, наряду с батохромным сдвигом запрещенной зоны, наблюдалось уширение максимума отражения. Обсуждены 486