聚合物/无机纳米粒子复合光子晶体材料的制备及应用

摘要

光子晶体是一种不同折射系数的介质周期性分布的光学材料。当光落入光子晶体的光子带隙中时，不能在其中传播而发生布拉格衍射，从而达到对光子调控的目的。由于光子晶体在显示、编码载体、传感和光纤等方面具有的潜在应用，因此受到人们广泛的关注。目前，机械力响应性光子晶体存在的问题是：灵敏度较低和衍射光波长变化范围较小，因此不能对较小的机械力实现裸眼检测。另一方面，基于丙烯酰胺基水凝胶水解的方法，可以制备出pH和离子强度响应性的光子晶体水凝胶，但是该制备方法的重复性较差。同时，环境中甲醛或碘离子的检测一般需要昂贵的仪器设备或复杂的操作。针对以上问题，本论文通过纳米粒子自组装的方法，构建了可用于显示、传感或多元免疫分析等领域的光子晶体材料，具体如下：
　　1.压力和有机溶剂传感材料的制备及性质：通过单分散的磁性纳米粒子在外界磁场作用下自组装的方法，制备出具有压力和有机溶剂响应的光学凝胶。水凝胶薄膜是由丙烯酰胺和交联剂甲叉双丙烯酰胺组成。在外界磁场作用下，磁性纳米粒子形成了一维有序的纳米链结构；通过原位光聚合的方法可以将该有序结构固定在水凝胶中。该光学凝胶具有机械力灵敏度高、机械力响应的稳定性好和全色转换等优势。更为重要的是，从图案上压力释放后，光学凝胶的结构色可以迅速回复到初始状态；而且光学凝胶的灵敏度可以通过单体加入量进行调节。结果表明，该光学凝胶的压力响应范围可以从0~4.3增加到0~130.6 kPa。基于该光学凝胶的体积在有机溶剂刺激下可以发生收缩，该光学凝胶还可以用于有机溶剂的裸眼检测。
　　2.pH和离子强度传感材料的制备及性质：基于磁性纳米粒子自组装的方法，我们还制备出pH值和离子强度响应性的光学凝胶。该水凝胶薄膜是由丙烯酰胺和甲基丙烯酸羟乙酯组成；在保持聚丙烯酰胺的酰胺键不水解的条件下，使水凝胶中的聚甲基丙烯酸羟乙酯的酯基在弱碱性水溶液中水解为羧基，从而达到在水凝胶中定量引入羧基的目的。当溶液的pH值增加时，凝胶中的羧基随之转变为羧酸盐，使凝胶中的渗透压增大，从而导致凝胶的体积发生膨胀，衍射光波长随之发生红移。该光学凝胶具有单一的结构色，并可以在不同pH值下实现全色转变。更为重要的是，光学凝胶中羧基的含量可以精确地控制，因此制备相同响应性能光学凝胶的重复性较好。另一方面，当溶液中的离子强度增加时，对凝胶中的羧基起到了静电屏蔽的作用，从而导致凝胶的体积发生收缩，衍射光波长随之发生蓝移。上述离子强度响应性的光学凝胶对离子的响应没有特异性，因此可以制备出具有碘离子响应性的光学凝胶。凝胶中含有吡啶基团，因此很容易与三价铁离子发生配位，使该水凝胶具有氧化性。当光学凝胶所处溶液中存在碘离子时，碘离子能够渗透进入凝胶内部，使三价铁离子被还原为二价铁离子，水凝胶中的渗透压随之降低，从而导致凝胶的体积发生收缩，衍射光波长发生蓝移，以此来检测溶液中碘离子的存在。
　　3.核壳结构的光子晶体微球的构建及用于编码材料：通过微流控和离心再分散相结合的技术，我们制备出尺寸均一、核壳结构的光子晶体微球。与传统的带电荷的聚苯乙烯纳米粒子等相比，只需要一步离心提纯过程，就可以制备出由PS-PNIPAm纳米粒子自组装形成的光子晶体悬浮液，并且不需要耗时的透析、离子交换或缓慢的溶剂挥发等过程。所形成的PS-PNIPAm光子晶体悬浮液可以通过微流控技术包封在透明的聚合物中，且并不影响对内核的反射光谱的检测。更为重要的是，光子晶体微球的反射光谱峰可以在酸性、碱性和盐溶液中或不同的温度下保持位置不变，因此可以提供稳定的光学信号从而用于光学编码。此外，通过光子晶体微球表面的聚丙烯酸丁酯的水解反应，使壳层的亲水性增加，亲水性生物探针分子更易于吸附在微球表面，用于多元免疫分析。

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1 绪 论

1.1引言

1.2光子晶体的制备方法

1.3响应性光子晶体

1.4光子晶体的应用

1.5 本文的主要研究内容及创新点

1.6参考文献

2 压力和有机溶剂响应性的光学凝胶

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

2.5参考文献

3 pH和离子强度响应性的光学凝胶

3.1 引言

3.2实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

3.5 参考文献

4 核壳结构的光子晶体编码微球

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

4.5 参考文献

5 全文总结

致谢

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