基于微流控芯片制备环境响应型光子晶体球的研究

发布时间：2017-10-30 22:05

  本文关键词：基于微流控芯片制备环境响应型光子晶体球的研究

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【摘要】：光子晶体是一种介电常数不同的材料呈周期性排列形成的有序结构,具有光子带隙特性。光子晶体对光传播的调控与半导体材料对电子的影响类似。由于其具备许多普通材料不具备的性质,光子晶体在集成光学、微波通信、电子技术等领域具有潜在的应用价值。近年来,光子晶体传感器已引起广泛的关注,光子晶体传感器对外界刺激的响应快速灵敏,响应的变化可以通过光谱仪器检测或直接裸眼可读,使其有望应用于可视传感领域。本论文中首先采用改进的溶胶种子法制备出尺寸可控的单分散二氧化硅颗粒。单分散且尺寸可控的SiO2颗粒的成功制备是制备带隙可调的光子晶体材料的基础。文中通过调节氨水、正硅酸乙酯(TEOS)以及反应体系的温度来控制粒径尺寸和单分散性。随着TEOS浓度和氨水用量增加,颗粒粒径逐渐增大,且增大趋势渐缓;随着反应温度的增加,颗粒的粒径明显变小,单分散性变好。将不同粒径的SiO2胶体微球配置成10%w/v的水乳液,采用横向沉积法制备出Si O2光子晶体膜,其结构色各不相同,随着SiO2粒径增大,光子晶体膜的光子带隙红移。同时,还采用了乳液聚合的方法,制备了尺寸为260 nm单分散聚苯乙烯(PS)微球,形成的光子晶体膜具有鲜艳的颜色。为制备出光子晶体球,本论文以微流控芯片制备出的尺寸可控的液滴为模板,通过液滴中水分挥发、纳米粒子自组装得到光子晶体球。通过调节微流控芯片中油相和水相的流速,精确控制液滴尺寸。探讨了油相和水相的流速对液滴尺寸的影响。结果表明,在一定范围内,随着油相流速增加,液滴尺寸变小;随着水相流速增加,液滴尺寸变大。考察了水相中乳液浓度以及液滴固化的加热方式等对光子晶体球尺寸、结构和特性的影响。结果表明,光子晶体球因其球形结构,具有各向同性的光子带隙和结构色。为制备出响应快速灵敏的pH传感器,本论文以光子晶体球为模版,渗透丙烯酸(AA)基凝胶溶液,经过紫外引发固化后用HF酸进行模板刻蚀制备了反蛋白石结构p H响应型水凝胶小球。由于凝胶小球尺寸小且内部为有序的大孔网络,因此小球对p H值变化敏感。随着缓冲液pH值升高,小球逐渐膨胀,其光子带隙红移。凝胶溶液的组分影响水凝胶小球的pH响应性。当AA和水的含量分别为3wt%,31wt%时,水凝胶小球的响应范围较大,响应速度快;在p H 5-6变化时,可在30 s内达到响应平衡。此外,以聚异丙基丙烯酰胺-丙烯酸(PNIPAm-AA)作为凝胶溶液时,制备出pH和温度双重响应型反蛋白石结构水凝胶小球。当温度高于其相转变温度后,小球体积明显收缩,晶格尺寸变小;随着p H值的变化,小球的结构色也有一定的变化。随着传感器的发展,人们对检测结果的要求也越来越高,快速稳定高灵敏的检测手段成为研究的热点。本文中制备的响应型水凝胶小球不仅对外界刺激响应灵敏,还具有良好的机械性能。多次重复实验后,该小球依然能够快速响应环境变化。水凝胶小球具有与光子晶体球一样的各向同性光子带隙和结构色,随着外界刺激变化,其结构色会发生明显改变。这种直接肉眼可见的响应特性,使得该反蛋白石水凝胶小球有望应用于先进光学传感仪器等领域。
【关键词】：光子晶体 微流控芯片 反蛋白石结构 响应型水凝胶 pH传感器
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O734
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 光子晶体的特性13-14
• 1.2 光子晶体在传感器方面的应用14-15
• 1.3 光子晶体的制备15-17
• 1.3.1 自组装法15-16
• 1.3.2 模板法16-17
• 1.4 微流控技术制备光子晶体研究进展17-24
• 1.4.1 微流控芯片制备18
• 1.4.2 微液滴技术18-19
• 1.4.3 微流控技术制备光子晶体球19-22
• 1.4.4 光子晶体凝胶传感器22-24
• 1.5 小结24-25
• 1.6 本论文的主要研究内容25
• 1.7 本论文的创新点及意义25-26
• 第二章 SiO_2纳米微球粒径控制及光子晶体制备26-39
• 2.1 引言26-27
• 2.2 实验试剂及实验设备27-28
• 2.2.1 实验试剂27
• 2.2.2 实验仪器27-28
• 2.3 实验方法28-29
• 2.3.1 单分散SiO_2胶体微球的制备28
• 2.3.2 单分散PS胶体微球的制备28-29
• 2.3.3 光子晶体膜制备29
• 2.4 样品表征29-30
• 2.4.1 微球粒径测试29-30
• 2.4.2 表面形貌表征30
• 2.4.3 反射光谱测试30
• 2.5 结果与讨论30-38
• 2.5.1 SiO_2胶体微球粒径控制30-32
• 2.5.2 光子晶体膜制备32-38
• 2.6 本章小结38-39
• 第三章 基于微流控芯片制备光子晶体球39-51
• 3.1 引言39
• 3.2 实验试剂与仪器39-40
• 3.2.1 实验试剂39-40
• 3.2.2 实验仪器40
• 3.3 实验方法40-43
• 3.3.1 玻璃微流控芯片的制备40-42
• 3.3.2 光子晶体球的制备42-43
• 3.4 样品表征43-44
• 3.4.1 尺寸表征43-44
• 3.4.2 光子晶体球结构色表征44
• 3.4.3 反射光谱表征44
• 3.4.4 形貌表征44
• 3.5 结果与讨论44-50
• 3.5.1 油相水相流速对液滴尺寸影响44-46
• 3.5.2 液滴固化成光子晶体球46-48
• 3.5.3 光子晶体球的光学特性48-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 响应型反蛋白石结构水凝胶光子晶体球51-66
• 4.1 引言51-52
• 4.2 实验试剂和设备52-53
• 4.2.1 实验试剂52
• 4.2.2 实验设备52-53
• 4.3 实验方法53-54
• 4.3.1 配制凝胶预聚液53
• 4.3.2 pH响应型传感器制备53-54
• 4.3.3 温度和pH双重响应型传感器制备54
• 4.4 仪器表征54
• 4.5 结果与讨论54-62
• 4.5.1 pH响应型水凝胶光子晶体膜54-55
• 4.5.2 pH响应型水凝胶光子晶体小球特性的影响因素55-57
• 4.5.3 凝胶组分中丙烯酸含量对小球特性的影响57-62
• 4.6 温度-pH双重响应型反蛋白石结构水凝胶光子晶体球62-64
• 4.7 本章小结64-66
• 第五章 结论66-68
• 参考文献68-76
• 科研成果76-78
• 致谢78

【参考文献】

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本文编号：1119493