Российские нанотехнологии. 2018; 13: 41-47
ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ НАНОЧАСТИЦ В АЭРОЗОЛЯХ ПРИ ПОМОЩИ ОПТИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВ НА ПРИМЕРЕ НАНОЧАСТИЦ TiO2
Аннотация
Разработана методика измерений малых концентраций (до 0.001 мг/мл) наночастиц аэрозоля TiO2 с помощью оптических диэлектрических микрорезонаторов. Предложенная методика основана на измерении изменения добротности микрорезонатора при адсорбции частиц на его поверхности. Приведены результаты экспериментальных исследований образцов аэрозоля, содержащего наночастицы TiO2 диаметром 40 нм с различными концентрациями. Разработана методика градуировки измерительного канала. Сформулированы основные требования к оптическому диэлектрическому микрорезонатору как первичному измерительному преобразователю. Оценено влияние объема оптической моды резонатора на погрешности измерений.
Список литературы
1. Maness P.C., Smolinski S., Blake D.M., Huang Z., Wolfrum E.J., Jacoby W.A., Bactericidal activity of photocatalytic TiO2 reaction: toward an understanding of its killing mechanism // Appl. Environ. Microbiology. 1999. V. 65. № 9. P. 4094–4098.
2. Braun J.H., Baidins A., Marganski R.E., TiO2 pigment technology: a review // Prog. Org. Coat. 1992. V. 20. P. 105–138.
3. Jin J., Kwon S.G., Yu T., Cho M., Lee J., Yoon J., Hyeon T. Largescale synthesis of TiO2 nanorods via nonhydrolytic sol-gel ester elimination reaction and their application to photocatalytic inactivation of E. coli // J. Phys. Chem. 2005. V. 109. P. 15297– 15302.
4. Chen X., Mao S.S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifi cations, and applications // Chem. Rev. 2007. V. 107. № 7. P. 2891–2959.
5. Renwick L.C., Brown D., Clouter A., Donaldson K. Increased infl ammationand altered macrophage chemotactic responses caused by two ultrafi ne particle types // Occup. Environ. Med. 2004. V. 61. P. 442–447.
6. Popov A.P., Priezzhev A.V., Lademann J., Myllylä R. TiO2 nanoparticles as an eff ective UV- B radiation skin-protective compound in sunscreens // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. P. 2564–2570.
7. Gurr J.R., Wang A.S., Chen C.H., Jan K.Y. Ultrafi ne titanium dioxide particles in the absence of photoactivation can induce oxidative damage to human bronchial epithelial cells // Toxicology. 2005. V. 213. P. 66–73.
8. Serpone N., Dondi D., Albini A. Inorganic and organic UV fi lters: their role and effi cacy in sunscreens and suncare products // Inorg. Chim. Acta. 2007. V. 360. P. 794–802.
9. ГОСТ Р 55723-2013 Нанотехнологии. Руководство по определению характеристик промышленных нанообъектов. М.: Стандартинформ. 2014.
10. МР 1.2.2522–09 Выявление наноматериалов, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека. 2009.
11. МР 1.2.0043–11 Контроль наноматериалов в объектах окружающей среды. 2011.
12. Heylman K.D., Knapper K.A., Goldsmith R.H. Photothermal microscopy of nonluminescent single particles enabled by optical microresonators // J. Phys. Chem. Lett. 2014. V. 5. P. 1917–1923.
13. Zijlstra P., Paulo P.M.R., Orrit M. Optical detection of single non-absorbing molecules using the surface plasmon resonance of a gold nanorod // Nat. Nanotechnol. 2012. V. 7. P. 379–382.
14. Burg T.P., Godin M., Knudsen S.M., Shen W., Carlson G., Foster J.S., Babcock K., Manalis S.R. Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fl uid // Nature. 2007. V. 446. P. 1066–1069.
15. Righini G.C., Soria S. Biosensing by WGM Microspherical Resonators // Sensors. 2016. V. 905. № 16. P. 905.
16. Vollmer F., Yang L. Label-free detection with high-Q microcavities: a review of biosensing mechanisms for integrated devices // Nanophotonics. 2012. № 1. P. 267–291.
17. Vollmer F., Arnold S., Keng D. Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode // PNAS. 2008. V. 105. P. 20701–20704.
18. Vollmer F., Teraoka I., Arnold S. Perturbation approach to resonance shift s of whispering-gallery modes in a dielectric microsphere as a probe of a surrounding medium // J. Opt. Soc. Am. 2003. V. 20. № 20. P. 1937–1946.
19. Ozdemir S.K., Zhu J., He L., Yang L. Estimation of Purcell factor from mode-splitting spectra in an optical microcavity // Phys. Rev. A. 2011. V. 83. № 3. P. 5.
20. Hu Y., Shao L., Arnold S., Liu Y-C., Ma C-Y., Xiao Y-F. Mode broadening induced by nanoparticles in an optical whisperinggallery microcavity // Phys. Rev. 2014. № A90. P. 10.
21. Kim W., Özdemir S.K., Zhu J., Hee L., Yang L. Demonstration of mode splitting in an optical microcavity in aqueous environment // A. Phys. Lett. 2010. № 97. P. 071111.
22. Foreman M. R., Swaim J.D., Vollmer F. Whispering gallery mode sensors // Adv. Opt. Photonics. 2015. V. 7. № 2. P. 168–240.
23. Самойленко А.А., Левин Г.Г., Лясковский В.Л., Миньков К.Н., Иванов А.Д., Биленко И.А. Применение оптических микрорезонаторов с модами типа «шепчущей галереи» для обнаружения наночастиц серебра в водной среде // Оптика и спектроскопия. 2017. T. 122. № 6. C. 1037–1039.
24. Иванов А.Д., Миньков К.Н., Самойленко А.А. Методика получения субдлинноволнового оптического волокна // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 7. С. 88–90.
25. Kotov Yu. A. Th e electrical explosion of wire: A method for the synthesis of weakly aggregated nanopowders // Nanotechnologies in Russia. 2009. V. 4. № 7–8. P. 415–424.
26. Золотаревский Ю.М., Миньков К.Н., Иванов А.Д., Самойленко А.А. Экспериментальные исследования возможности детектирования наночастиц диоксида титана в воздухе посредством оптических резонаторов. Материалы конференции Прикладная оптика. Санкт-Петербург. 2016. С. 3.
27. Muers M.F. Overview of nebulizer treatment // Th orax. 1997. V. 52. Р. 25–30.
28. Lizunova A.A., Kalinina E.G., I.V.Beketov, Ivanov V.V. Development of reference materials for the diameter of nanoparticles of colloidal solutions of aluminum oxide and titanium dioxide // Measurement Techniques. 2014. V. 57. № 8. P. 848–854.
29. ГОСТ Р 8.791–2013 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Измерители радиоизотопные и пьезобалансные массовой концентрации пыли в воздухе рабочей зоны. Методика поверки. М.: Стандартин-форм. 2013.
30. Zhang X., Liu L., Xu L. Ultralow sensing limit in optofl uidic micro-bottle resonator biosensor by self-referenced diff erential- mode detection scheme // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. P. 033703.
31. ГОСТ Р 8.775–2011 ГСИ Дисперсный состав газовых сред. Определение размеров наночастиц по методу дифференциальной электрической подвижности аэрозольных частиц. М.: Стандартинформ. 2011.
Title in english. 2018; 13: 41-47
ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ НАНОЧАСТИЦ В АЭРОЗОЛЯХ ПРИ ПОМОЩИ ОПТИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВ НА ПРИМЕРЕ НАНОЧАСТИЦ TiO2
Abstract
Разработана методика измерений малых концентраций (до 0.001 мг/мл) наночастиц аэрозоля TiO2 с помощью оптических диэлектрических микрорезонаторов. Предложенная методика основана на измерении изменения добротности микрорезонатора при адсорбции частиц на его поверхности. Приведены результаты экспериментальных исследований образцов аэрозоля, содержащего наночастицы TiO2 диаметром 40 нм с различными концентрациями. Разработана методика градуировки измерительного канала. Сформулированы основные требования к оптическому диэлектрическому микрорезонатору как первичному измерительному преобразователю. Оценено влияние объема оптической моды резонатора на погрешности измерений.
References
1. Maness P.C., Smolinski S., Blake D.M., Huang Z., Wolfrum E.J., Jacoby W.A., Bactericidal activity of photocatalytic TiO2 reaction: toward an understanding of its killing mechanism // Appl. Environ. Microbiology. 1999. V. 65. № 9. P. 4094–4098.
2. Braun J.H., Baidins A., Marganski R.E., TiO2 pigment technology: a review // Prog. Org. Coat. 1992. V. 20. P. 105–138.
3. Jin J., Kwon S.G., Yu T., Cho M., Lee J., Yoon J., Hyeon T. Largescale synthesis of TiO2 nanorods via nonhydrolytic sol-gel ester elimination reaction and their application to photocatalytic inactivation of E. coli // J. Phys. Chem. 2005. V. 109. P. 15297– 15302.
4. Chen X., Mao S.S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifi cations, and applications // Chem. Rev. 2007. V. 107. № 7. P. 2891–2959.
5. Renwick L.C., Brown D., Clouter A., Donaldson K. Increased infl ammationand altered macrophage chemotactic responses caused by two ultrafi ne particle types // Occup. Environ. Med. 2004. V. 61. P. 442–447.
6. Popov A.P., Priezzhev A.V., Lademann J., Myllylä R. TiO2 nanoparticles as an eff ective UV- B radiation skin-protective compound in sunscreens // J. Phys. D: Appl. Phys. 2005. V. 38. P. 2564–2570.
7. Gurr J.R., Wang A.S., Chen C.H., Jan K.Y. Ultrafi ne titanium dioxide particles in the absence of photoactivation can induce oxidative damage to human bronchial epithelial cells // Toxicology. 2005. V. 213. P. 66–73.
8. Serpone N., Dondi D., Albini A. Inorganic and organic UV fi lters: their role and effi cacy in sunscreens and suncare products // Inorg. Chim. Acta. 2007. V. 360. P. 794–802.
9. GOST R 55723-2013 Nanotekhnologii. Rukovodstvo po opredeleniyu kharakteristik promyshlennykh nanoob\"ektov. M.: Standartinform. 2014.
10. MR 1.2.2522–09 Vyyavlenie nanomaterialov, predstavlyayushchikh potentsial'nuyu opasnost' dlya zdorov'ya cheloveka. 2009.
11. MR 1.2.0043–11 Kontrol' nanomaterialov v ob\"ektakh okruzhayushchei sredy. 2011.
12. Heylman K.D., Knapper K.A., Goldsmith R.H. Photothermal microscopy of nonluminescent single particles enabled by optical microresonators // J. Phys. Chem. Lett. 2014. V. 5. P. 1917–1923.
13. Zijlstra P., Paulo P.M.R., Orrit M. Optical detection of single non-absorbing molecules using the surface plasmon resonance of a gold nanorod // Nat. Nanotechnol. 2012. V. 7. P. 379–382.
14. Burg T.P., Godin M., Knudsen S.M., Shen W., Carlson G., Foster J.S., Babcock K., Manalis S.R. Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fl uid // Nature. 2007. V. 446. P. 1066–1069.
15. Righini G.C., Soria S. Biosensing by WGM Microspherical Resonators // Sensors. 2016. V. 905. № 16. P. 905.
16. Vollmer F., Yang L. Label-free detection with high-Q microcavities: a review of biosensing mechanisms for integrated devices // Nanophotonics. 2012. № 1. P. 267–291.
17. Vollmer F., Arnold S., Keng D. Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode // PNAS. 2008. V. 105. P. 20701–20704.
18. Vollmer F., Teraoka I., Arnold S. Perturbation approach to resonance shift s of whispering-gallery modes in a dielectric microsphere as a probe of a surrounding medium // J. Opt. Soc. Am. 2003. V. 20. № 20. P. 1937–1946.
19. Ozdemir S.K., Zhu J., He L., Yang L. Estimation of Purcell factor from mode-splitting spectra in an optical microcavity // Phys. Rev. A. 2011. V. 83. № 3. P. 5.
20. Hu Y., Shao L., Arnold S., Liu Y-C., Ma C-Y., Xiao Y-F. Mode broadening induced by nanoparticles in an optical whisperinggallery microcavity // Phys. Rev. 2014. № A90. P. 10.
21. Kim W., Özdemir S.K., Zhu J., Hee L., Yang L. Demonstration of mode splitting in an optical microcavity in aqueous environment // A. Phys. Lett. 2010. № 97. P. 071111.
22. Foreman M. R., Swaim J.D., Vollmer F. Whispering gallery mode sensors // Adv. Opt. Photonics. 2015. V. 7. № 2. P. 168–240.
23. Samoilenko A.A., Levin G.G., Lyaskovskii V.L., Min'kov K.N., Ivanov A.D., Bilenko I.A. Primenenie opticheskikh mikrorezonatorov s modami tipa «shepchushchei galerei» dlya obnaruzheniya nanochastits serebra v vodnoi srede // Optika i spektroskopiya. 2017. T. 122. № 6. C. 1037–1039.
24. Ivanov A.D., Min'kov K.N., Samoilenko A.A. Metodika polucheniya subdlinnovolnovogo opticheskogo volokna // Opticheskii zhurnal. 2017. T. 84. № 7. S. 88–90.
25. Kotov Yu. A. Th e electrical explosion of wire: A method for the synthesis of weakly aggregated nanopowders // Nanotechnologies in Russia. 2009. V. 4. № 7–8. P. 415–424.
26. Zolotarevskii Yu.M., Min'kov K.N., Ivanov A.D., Samoilenko A.A. Eksperimental'nye issledovaniya vozmozhnosti detektirovaniya nanochastits dioksida titana v vozdukhe posredstvom opticheskikh rezonatorov. Materialy konferentsii Prikladnaya optika. Sankt-Peterburg. 2016. S. 3.
27. Muers M.F. Overview of nebulizer treatment // Th orax. 1997. V. 52. R. 25–30.
28. Lizunova A.A., Kalinina E.G., I.V.Beketov, Ivanov V.V. Development of reference materials for the diameter of nanoparticles of colloidal solutions of aluminum oxide and titanium dioxide // Measurement Techniques. 2014. V. 57. № 8. P. 848–854.
29. GOST R 8.791–2013 Gosudarstvennaya sistema obespecheniya edinstva izmerenii (GSI). Izmeriteli radioizotopnye i p'ezobalansnye massovoi kontsentratsii pyli v vozdukhe rabochei zony. Metodika poverki. M.: Standartin-form. 2013.
30. Zhang X., Liu L., Xu L. Ultralow sensing limit in optofl uidic micro-bottle resonator biosensor by self-referenced diff erential- mode detection scheme // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. P. 033703.
31. GOST R 8.775–2011 GSI Dispersnyi sostav gazovykh sred. Opredelenie razmerov nanochastits po metodu differentsial'noi elektricheskoi podvizhnosti aerozol'nykh chastits. M.: Standartinform. 2011.
