光子晶体在生态环境监测方面的应用研究

摘要

环境气体监测是环境生态学的重要研究内容,长期以来,随着空气质量越来越引起全社会的普遍关注,如何更好的对环境中的有害气体进行实时有效的监测一直受到来自社会和科学界的极大关注。生态学学科中的环境生态学、污染生态学以及生态毒理学等分支学科都着重讨论了对于环境中有害气体监测的方法。
　　在实际的生产实践过程中,先进的气体检测仪器的制备和设计是极其重要的环节,本论文就以环境气体监测的相关气体监测器件设计作为研究内容,利用光子晶体这一载体,探究能够用于环境中酸碱气体快速响应性监测的光子晶体微纳器件的设计和制备。
　　本文第一部分内容,合成一系列粒径的聚苯乙烯乳胶微球,用于制备光子禁带位于可见光区的三维聚苯乙烯光子晶体,表征其结构以及光学性质,探究光子晶体用于裸眼监测的可行性。
　　第二部分内容,利用第一部分制备出的光子禁带位于可见光区的三维结构聚苯乙烯光子晶体制备二氧化钛反蛋白石结构光子晶体,填充导电聚合物聚苯胺后形成填充聚苯胺的二氧化钛反蛋白石结构光子晶体用于酸碱气体的响应性研究,观察其光子禁带的变化,利用光子晶体的特殊光学性质,实现其对于酸碱气体响应的裸眼监测。
　　第三部分内容,制备二氧化钛/聚苯胺一维光子晶体,探究其光学性质,用于酸碱气体的响应性研究,观察其光子禁带的变化,利用一维光子晶体良好的光学性质和稳定的结构,制备出合适的酸碱气体响应性器件,用于环境中酸碱的气体的监测,实现一维光子晶体对于酸碱气体的裸眼监测。
　　本论文利用光子晶体这一载体,探究了环境气体监测的相关气体监测器件设计,成功实现了能够用于环境中酸碱气体快速响应性监测的光子晶体微纳器件的设计和制备,为生态环境监测酸碱气体提供了新的方法和思路,是光子晶体理论应用于生态学研究的一大创新。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 环境生态气体监测方法

1.1.1 气相色谱法

1.1.2 高效液相色谱法

1.1.3 气相色谱-质谱联用分析法

1.2 光子晶体

1.2.1 光子晶体定义及简介

1.2.2 自然界中的光子晶体

1.2.3 光子晶体的光学特性

1.2.4 光子晶体的分类和结构

1.2.5 光子晶体的制备

1.2.6 光子晶体的表征技术

1.2.7 光子晶体的响应性应用

1.2.8 聚苯胺响应性研究现状

1.3 本论文研究目标

1.4 研究工作创新性

1.5 本论文研究内容及意义

1.6 技术路线

参考文献

第二章 聚苯乙烯胶体粒子构筑三维光子晶体

2.1 实验方案设计

2.2 材料与方法

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 聚苯乙烯蛋白石型三维光子晶体的制备

2.3 结果与讨论

2.3.1 聚苯乙烯微球形貌表征

2.3.2 聚苯乙烯微球组装的光子晶体形貌表征和光谱表征

2.4 本章小结

参考文献

第三章 酸碱气体响应性二氧化钛反蛋白石光子晶体

3.1 实验方案设计

3.2 材料与方法

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 PANI填充的TiO_2反蛋白石结构光子晶体的制备

3.2.3 PANI填充TiO_2反蛋白石结构光子晶体的酸碱气体响应性实验

3.3 结果与分析

3.3.1 聚苯乙烯乳胶微球形貌表征

3.3.2 聚苯乙烯微球组装的光子晶体形貌表征和光谱表征

3.3.3 TiO_2反蛋白石光子晶体的形貌表征

3.3.4 TiO_2反蛋白石光子晶体的光谱表征

3.3.5 合适的TiO_2反蛋白石光子晶体模板的选择

3.3.6 PANI-TiO_2复合光子晶体薄膜的表征

3.3.7 PANI-TiO_2复合光子晶体薄膜的NH_3-HCl响应性

3.3.8 PANI-TiO_2反蛋白石光子晶体响应重复性分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章 酸碱气体响应性聚苯胺/TiO_2一维光子晶体

4.1 实验研究路线

4.2 材料与方法

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 PANI的DMF溶液制备

4.2.3 TiO_2溶胶的制备

4.2.4 PANI/TiO_2一维光子晶体的制备

4.2.5 响应性实验

4.3 结果与分析

4.3.1 PANI及TiO_2溶胶表征

4.3.2 PANI/TiO_2一维光子晶体形貌表征

4.3.3 PANI/TiO_2一维光子晶体光学照片表征

4.3.4 PANI/TiO_2一维光子晶体光谱表征

4.3.5 PANI/TiO_2一维光子晶体薄膜的NH_3-HCl响应性

4.3.6 PANI/TiO_2一维光子晶体禁带移动的影响因素

4.3.7 PANI/TiO_2一维光子晶体响应重复性分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

科研工作及发表论文

致谢