Радіофізичні методи у дослідженні фізико-хімічних властивостей рідин
Анотація
Актуальність. Створення нових експрес-методів якісного та кількісного аналізу розчинів, біологічних рідин і суспензій та розробка технічних засобів для їх реалізації є актуальними задачами у різних галузях науки і техніки, зокрема, у біотехнологіях та біомедицині. Також актуальність роботи обумовлена необхідністю оптимізації технологічних процесів виробництва та синтезу наноматеріалів.
Мета роботи. Теоретична та експериментальна перевірка можливості застосування радіофізичних методів для оцінки фізико-хімічних параметрів розчинів та суспензій. Оптимізація технологічного процесу лазерної абляції. Вирішення фізико-хімічної задачі синтезу наночастинок заліза у магнетитовій оболонці.
Матеріали та методи. У роботі представлено порівняльний аналіз методів обчислення ефективних параметрів системи діелектрик – металеві включення за формулами змішування Максвелла-Гарнета, Бруггемана та методу кінцевих елементів. Показано, що у випадку металевих включень, формула Бруггемана дає результат, що краще узгоджується з експериментальними результатами. Методом імпедансної спектроскопії проведено аналіз водних суспензій металевих наночастинок.
Результати. Розроблено простий метод синтезу наночастинок заліза з магнетитовою оболонкою на основі реакції контрольованого окислення наночастинок заліза озоном. Проведено мікроскопічний аналіз отриманих частинок та встановлено швидкість утворення магнітної оболонки. Апробовано метод імпедансної спектроскопії для вимірювання концентрації наночастинок металів в процесі лазерної абляції. Показано, що стану седиментаційної рівноваги суспензії відповідає конкретне значення електричної провідності.
Висновки. Показано, що метод імпедансної спектроскопії може використовуватись як непрямий метод для оцінки якісних і кількісних фізико-хімічних параметрів розчинів та суспензій. Проведено моделювання впливу розподілу металевих частинок у діелектричній матриці на електрофізичні параметри суспензії.
Завантаження
Посилання
Faerber R, Franck C. Modular high-precision dielectric spectrometer for quantifying the aging dynamics in (Sub-)picofarad polymeric specimens. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2018;25(3):1056-1063.
Cornelis P, Wackers G, Thomas I, Brand M, Putzeys T, Gennaro A et al. A Novel Modular Device for Biological Impedance Measurements: The Differential Impedimetric Sensor Cell (DISC). physica status solidi (a). 2018;215(15):1701029.
Impedance Analyzers | Keysight [Internet]. Keysight.com. 2020 [cited 19 December 2020] Available from: https://www.keysight.com/en/pc-1000000382%3Aepsg%3Apgr/impedance-analyzers?nid=-33831.0.00&cc=UA&lc=eng
Impedance Products | Zurich Instruments [Internet]. Zhinst.com. 2020 [cited 19 December 2020]. Available from: https://www.zhinst.com/others/en/impedance-products
Wayne Kerr Electronics Products - 6500B Series Impedance Analyzer [Internet]. Waynekerrtest.com. 2020 [cited 19 December 2020]. Available from: http://www.waynekerrtest.com/products_detail.php?indexs=4&brand=Wayne%20Kerr
Kozheshkurt V, Antonenko Y, Shtoda D, Slipchenko O, Katrych V. Possibilities of Impedance Spectroscopy for the Study of Bioliquids. 2018 9th International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals (UWBUSIS). 2018:280-284.
Fernandes C, Mello M, dos Santos N, Souza A, Lanznaster M, Ponzio E. Theoretical and experimental studies of a new aniline derivative corrosion inhibitor for mild steel in acid medium. Materials and Corrosion. 2019;71(2):280-291.
Cheng X, Liu Y, Irimia D, Demirci U, Yang L, Zamir L et al. Cell detection and counting through cell lysate impedance spectroscopy in microfluidic devices. Lab Chip. 2007;7(6):746-755.
Bao X, Ocket I, Bao J, Doijen J, Zheng J, Kil D et al. Broadband Dielectric Spectroscopy of Cell Cultures. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2018;66(12):5750-5759.
Masot R, Alcañiz M, Fuentes A, Schmidt F, Barat J, Gil L et al. Design of a low-cost non-destructive system for punctual measurements of salt levels in food products using impedance spectroscopy. Sensors and Actuators A: Physical. 2010;158(2):217-223.
Yang S, Hallett I, Oh H, Woolf A, Wong M. Application of electrical impedance spectroscopy and rheology to monitor changes in olive (Olea europaea L.) pulp during cold-pressed oil extraction. Journal of Food Engineering. 2019;245:96-103.
Lau M, Ziefuss A, Komossa T, Barcikowski S. Inclusion of supported gold nanoparticles into their semiconductor support. Physical Chemistry Chemical Physics. 2015;17(43):29311-29318.
Tran H, Matsumoto K, Moriya M, Shimada H, Kimura Y, Hirano-Iwata A et al. Fabrication of high temperature capacitively- and resistively-coupled single electron transistors using gold nanoparticles. 2016 IEEE 16th International Conference on Nanotechnology (IEEE-NANO). 2016:131-134.
Skotadis E, Mousadakos D, Tanner J, Tsoukalas D, Broutas P. Flexible platinum nanoparticle strain sensors. 2013 Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC). 2013:354-357.
Koch L, Sajti L, Schwenke A, Klein S, Unger C, Gruene M et al. Laser-based micro- and nanofabrication for applications in biomedicine. 2012;1464(1).
Kobayashi T. Cancer hyperthermia using magnetic nanoparticles. Biotechnology Journal. 2011;6(11):1342-1347.
Silvestr P, Ferrari R. Finite elements for electrical engineers. M: Mir; 1986;229. [In Russian].
Antonenko Y, Kozheshkurt V, Shtoda D, Katrich V. An amplitude and phase detector for dielectric spectroscopy systems. Radiophysics and Electronics. 2020;25(3):68-77. [In Ukrainian].
Liu F, Laurent S, Roch A, Vander Elst L, Muller R. Size-Controlled Synthesis of CoFe2O4Nanoparticles Potential Contrast Agent for MRI and Investigation on Their Size-Dependent Magnetic Properties. Journal of Nanomaterials. 2013;2013:1-9.
Proenca M, Sousa C, Pereira A, Tavares P, Ventura J, Vazquez M et al. Size and surface effects on the magnetic properties of NiO nanoparticles. Physical Chemistry Chemical Physics. 2011;13(20):9561-9567.
Lacroix L, Malaki R, Carrey J, Lachaize S, Respaud M, Goya G et al. Magnetic hyperthermia in single-domain monodisperse FeCo nanoparticles: Evidences for Stoner–Wohlfarth behavior and large losses. Journal of Applied Physics. 2009;105(2):023911.
