有机气体敏感的光子晶体薄膜可视化传感器

发布时间：2017-07-19 22:13

  本文关键词：有机气体敏感的光子晶体薄膜可视化传感器

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【摘要】：挥发性有机化合物(VOCs)对皮肤、呼吸道粘膜、眼结膜等具有强烈的刺激作用,会对人体多个脏器造成损害,甚至具有致癌作用,严重影响人体健康。因此,高效检测大气、土壤、水质中的易挥发有机污染物对于人类健康和环境保护具有重要的意义。本论文利用光子晶体具有光子禁带的特性,设计制备了功能分子填充的SiO_2反蛋白石光子晶体薄膜传感器。通过把功能分子与有机气体之间可逆的化学/物理作用和反蛋白石光子晶体三维大孔结构高比表面积特性相结合,可逆调控光子晶体传感器的平均折射率,从而实现光子禁带的可逆变化,表现为反射光谱的可逆移动。选择光子禁带合适的光子晶体,使所制传感器在被检测气体氛围中反射光谱在可见光范围内移动,薄膜的颜色发生变化,可被肉眼观察,从而实现对目标分子的可视化检测,最终制备得到有机气体敏感的光子晶体薄膜可视化传感器。具体内容如下:1.通过牺牲模板法制备了SiO_2反蛋白石光子晶体,在其缝隙中填充六苯基硅基化合物(HPS),得到对乙醚/石油醚气体敏感的光子晶体薄膜传感器。所制传感器交替暴露在不同的气体环境中颜色发生可逆变化。在乙醚或石油醚蒸气中,传感薄膜的反射光谱红移超过100 nm,同时颜色从绿色变为红色;之后暴露在空气中,反射光谱蓝移,颜色返回绿色。这是因为当HPS交替暴露在空气和乙醚/石油醚气体中时发生晶态和无定型态两种不同聚集态之间的可逆转变。晶体HPS在有机气体中转变为无定型态,折射率和比表面积同时增大,其较高的比表面积更有利于吸附有机气体,二者协同作用下增大了传感薄膜的平均折射率,导致光子禁带红移,颜色发生变化。由于可逆的聚集态转变及有机气体的吸附-脱附,传感薄膜的平均折射率可逆变化,所以光子禁带可逆移动,颜色可逆变化。薄膜颜色的明显变化实现了有机气体的可视化检测,为挥发性有机化合物的检测提供了简便方法,在制备化学及生物传感器方面具有重要的意义。2.制备了四氢呋喃/丙酮气体敏感的聚四苯基乙烯衍生物(TPEP)填充的SiO_2反蛋白石光子晶体薄膜传感器,可通过其颜色改变可视化检测这两种气体。当传感薄膜置于有机气体氛围中,光子禁带红移50 nm,同时薄膜颜色由紫色转变为青色;当置于空气中时,禁带蓝移,颜色变回紫色。这是由于在反蛋白石三维大孔结构高比表面积特性及TPEP对四氢呋喃和丙酮具有较强吸附性能的共同作用下,当传感膜交替置于有机气体和空气氛围中时发生可逆的吸附-脱附。根据布拉格定律,吸附有机气体后传感薄膜的平均折射率增大,光子禁带红移,薄膜颜色改变。有机气体可逆的吸附-脱附过程能够可逆改变传感薄膜的平均折射率,使其光子禁带可逆移动,颜色可逆变化,这为制备可视化传感器提供了一种通用的方法。3.在SiO_2反蛋白光子晶体孔隙中填充功能聚合物聚烯丙胺(PAH),制备得到对挥发性醛(包括甲醛、乙醛、丙醛、丁醛及戊醛)敏感的可视化传感器。当传感薄膜置于醛气体中时,光子禁带红移超过100 nm,从初始的紫色转变为黄绿色,这是由于SiO_2反蛋白石三维大孔结构有利于气体扩散及在孔壁的吸附,使PAH的氨基与醛基发生亲核加成反应,同时部分气体在孔壁冷凝,导致薄膜的平均折射率增大;而当传感薄膜再次置于空气中,由于氨基与醛基的反应可逆,同时吸附的气体发生脱附,薄膜的平均折射率减小,光子禁带蓝移,薄膜恢复至紫色。所制传感器实现了对挥发性醛的可视化检测,且可重复使用,这为制备新型气体传感器提供了思路。
【关键词】：光子晶体 光子禁带 有机气体 化学传感 可视化检测
【学位授予单位】：延安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2;TP212
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 光子晶体简介11-12
• 1.2 光子晶体的制备12-14
• 1.2.1 Opal光子晶体的制备12
• 1.2.2 反opal光子晶体的制备12-14
• 1.3 光子晶体在化学传感方面的应用14-18
• 1.3.1 金属离子光子晶体传感器14
• 1.3.2 有机溶剂光子晶体传感器14-15
• 1.3.3 气体敏感的光子晶体传感器15-18
• 1.4 本论文的研究目的与主要内容18-21
• 第二章 乙醚/石油醚敏感的HPS-SiO_2反蛋白石光子晶体薄膜传感器21-34
• 2.1 引言21-22
• 2.2 实验部分22-24
• 2.2.1 实验试剂22
• 2.2.2 实验仪器22
• 2.2.3 (P(St-AA))单分散乳胶微球的制备22-23
• 2.2.4 HPS-SiO_2IOPC的制备23
• 2.2.5 响应性测试23-24
• 2.3 结果与讨论24-32
• 2.3.1 光子晶体的形貌表征24-25
• 2.3.2 光子晶体的反射光谱表征25-26
• 2.3.3 HPS-SiO_2IOPC的气体传感性能26-29
• 2.3.4 HPS-SiO_2IOPC检测乙醚/石油醚29-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 四氢呋喃/丙酮敏感的TPEP-SiO_2反蛋白石光子晶体薄膜传感器34-46
• 3.1 引言34-35
• 3.2 实验部分35-37
• 3.2.1 实验试剂35
• 3.2.2 实验仪器35-36
• 3.2.3 (P(St-AA))单分散乳胶微球的制备36
• 3.2.4 TPEP-SiO_2IOPC的制备36
• 3.2.5 响应性测试36-37
• 3.3 结果与讨论37-45
• 3.3.1 检测机理37
• 3.3.2 光子晶体的形貌表征37-39
• 3.3.3 光子晶体的光学性质表征39
• 3.3.4 TPEP -SiO_2IOPC的气体传感性能39-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第四章 挥发性醛敏感的PAH-SiO_2反蛋白石光子晶体薄膜传感器46-56
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验部分47-48
• 4.2.1 实验试剂47
• 4.2.2 实验仪器47
• 4.2.3 (P(St-AA))单分散乳胶微球的制备47
• 4.2.4 PAH-SiO_2IOPC的制备47-48
• 4.2.5 响应性测试48
• 4.3 结果与讨论48-55
• 4.3.1 检测机理48-49
• 4.3.2 光子晶体的形貌表征49-50
• 4.3.3 光子晶体的光学性质表征50
• 4.3.4 PAH-SiO_2IOPC的气体传感性能50
• 4.3.5 PAH-SiO_2IOPC检测挥发醛50-55
• 4.4 本章小结55-56
• 结论56-58
• 参考文献58-65
• 致谢65-66
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果66

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本文编号：565075