高衍射强度二维有序阵列/水凝胶复合体系及可视化传感研究

摘要

聚苯乙烯(PS)微球阵列是二维(2D)阵列/水凝胶复合传感薄膜所常用的2D阵列。但是由于PS微球阵列光学响应信号较弱，导致2D PS微球阵列/水凝胶膜衍射光谱测量需借助高反射镜，使其作为可视化传感器的实际应用受到了极大限制。本论文发展了水凝胶膜双面负载2D PS微球阵列、水凝胶膜负载2D PS微球-Au壳阵列和水凝胶膜负载2D Au纳米球阵列的制备方法，旨在提高2D阵列/水凝胶膜复合物的衍射光强度，促进其作为可视化传感器的实际应用。
　　本论文的主要工作如下:
　　(1)利用一种简单的方法制备了用于pH可视化探测的双面负载2D PS微球阵列的壳聚糖(CS)水凝胶薄膜。与单面负载2D PS微球阵列的CS水凝胶膜相比，双面负载2D PS微球阵列的水凝胶膜具有较强的衍射光强度;同时，由于平衡了水凝胶膜双面的应力，克服了单面负载2D PS微球阵列CS水凝胶膜的卷曲问题。上述优势使双面负载2D PS微球阵列的水凝胶薄膜更适合作为可视化传感器。
　　(2)通过在2D PS微球阵列上沉积Au膜得到2D PS微球-Au壳阵列，之后将其嵌入到聚丙烯酸(PAAc)水凝胶膜表面，制备了自支撑的2D PS微球-Au壳阵列/PAAc水凝胶膜复合物。与传统的2D PS微球阵列/PAAc水凝胶膜复合物相比，2D PS微球-Au壳阵列/PAAc水凝胶膜复合物在透明基底上具有明显的衍射信号，衍射光强度约是传统的2D PS微球阵列/PAAc水凝胶膜复合物衍射强度的30倍。
　　(3)采用2D Au纳米球阵列代替2D PS微球阵列，制备了2D Au纳米球阵列/PAAc水凝胶膜复合物，并将其作为pH可视化传感器。由于Au纳米球大的散射截面及其阵列的周期性，2D Au纳米球阵列/PAAc水凝胶膜复合物显示出绚丽的颜色以及超强的衍射信号，在石英基质上的衍射光强度是2D PS微球阵列/PAAc水凝胶膜复合物在高反射铝镜上衍射强度的88倍，解决了传统2D PS微球阵列用作可视化传感器需要借助高反射镜的问题。超高衍射光强度使2D Au纳米球阵列/PAAc水凝胶膜复合物在可视化传感领域具有较高的应用价值。此外，此制备方法具有普适性，将2D Au纳米球阵列负载于经不同识别剂修饰的水凝胶膜，可实现不同目标物质的可视化探测。
　　(4)制备了对葡萄糖、HF酸敏感的2D Au纳米球阵列/聚（丙烯酰胺-co-3-丙烯酰胺基苯硼酸）(P(AAm-co-PBA))水凝胶膜复合物，通过衍射波长的偏移和宏观颜色的变化实现了葡萄糖、HF酸的可视化探测。在葡萄糖的探测过程中，通过聚乙烯醇(PVA)作为体积缓释剂对P(AAm-co-PBA)水凝胶膜进行二次交联，解决了在高离子强度（150 mM）下，随葡萄糖浓度增加，衍射峰先蓝移后红移的问题。首次发现了P(AAm-co-PBA)对HF酸具有敏感性，实现了HF酸的可视化探测。HF酸浓度从0mM增加到7.0 mM，宏观颜色从蓝色向红色转变;HF酸浓度从0mM增加到56.3 mM，衍射峰从481 nm红移至921 nm(红移约440 nm)。
　　对全文进行总结，概括了本文的内容以及创新点，并对下一步工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光子晶体

1．2．1 光子晶体的衍射

1．2．2 3D光子晶体

1．2．3 2D光子晶体

1．3 响应光子晶体

1．3．1 3D响应光子晶体

1．3．2 基于3D响应光子晶体可视化传感器应用

1．3．3 2D响应光子晶体

1．3．4 基于2D响应光子晶体可视化传感器应用

1．3．5 基于光子晶体／水凝胶膜复合物体系敏感机理探讨

1．4 本课题的提出和主要研究内容

参考文献

第二章 水凝胶膜双面负载PS微球阵列可视化传感及抗卷曲特性

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料和试剂

2．2．2 双面负载2D PS微球阵列壳聚糖膜的制备

2．2．3 表征方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 2D PS微球阵列的形貌特征

2．3．2 2D PS微球阵列／水凝胶膜复合物的形貌特征

2．3．3 水凝胶膜双面负载2D PS微球阵列pH敏感性及其光学性能

2．3．4 水凝胶膜单面负载2D PS微球阵列pH敏感性及其光学性能

2．3．5 衍射强度对比

2．3．6 水凝胶膜双面负载2D PS微球阵列NaCl敏感性

2．3．7 水凝胶膜双面负载2D PS微球阵列衍射增强机理探讨

2．4 本章小结

参考文献

第三章 二维PS微球-Au壳阵列／水凝胶膜传感特性

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 主要试剂

3．2．2 2D PS微球阵列-Au壳阵列／水凝胶膜复合物的制备

3．2．3 表征方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 2D PS微球阵列的形貌特征

3．3．2 2D PS微球-Au壳阵列的形貌特征

3．3．3 2D PS微球-Au壳阵列／水凝胶膜复合物的形貌特征

3．3．4 吸收光谱

3．3．5 衍射光谱

3．3．6 衍射强度对比

3．3．7 衍射增强机理分析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 二维Au纳米球阵列／水凝胶膜pH传感特性

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 主要试剂

4．2．2 2D纳米球阵列／pH敏感水凝胶膜复合物的制备

4．2．3 表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 形貌特征

4．3．2 吸收光谱

4．3．3 衍射光谱

4．3．4 衍射强度对比

4．3．5 衍射增强机理探讨

4．4 本章小结

参考文献

第五章 二维Au纳米球阵列／水凝胶膜葡萄糖传感特性

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 主要试剂

5．2．2 2D Au纳米球阵列／葡萄糖敏感水凝胶膜复合物的制备

5．2．3 表征方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 形貌特征

5．3．2 2D Au纳米球阵列／P(AAm-co-PBA)水凝胶膜葡萄糖敏感性

5．3．3 2D Au纳米球阵列／PVA-P(AAm-co-PBA)水凝胶膜葡萄糖敏感性

5．4 本章小结

参考文献

第六章 二维Au纳米球阵列／水凝胶膜HF酸传感特性

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 主要试剂

6．2．2 2D Au纳米球阵列／HF酸敏感水凝胶膜复合物的制备

6．2．3 表征方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 形貌特征

6．3．2 2D Au纳米球阵列／水凝胶膜复合物HF酸敏感性

6．3．3 敏感机理探讨

6．4 本章小结

参考文献

第七章 本论文有待进一步解决的问题

第八章 全文总结与展望

8．1 全文总结

8．2 本论文的创新点

8．3 展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果