基于磁响应性光子晶体的微型化学传感器

发布时间：2020-05-02 21:16

【摘要】：响应性光子晶体(Responsive photonic crystals,RPCs)因具有无毒、无标记、低消耗和裸眼可视等优点,在传感、显示、防伪、伪装等方面有着广泛的应用。目前已发展的pH-RPCs主要是基于在光子晶体结构中引入响应性凝胶组分所制备得到的膜或球状块体材料,响应性凝胶组分不仅可以固定光子晶体结构,还可以对外界刺激响应,依靠其自身体积的膨胀或收缩起到调控光子带隙的作用。然而,这种光子晶体结构被固定的块体pH-RPCs材料在制备、使用过程以及保存中会面临着一些挑战:其制备过程相对复杂、耗时,光子晶体结构在组装过程中易受溶剂、单体种类、pH值等的干扰;块体的凝胶材料以及固定的光子晶体结构使得pH-RPCs存在响应时间长、灵敏度低、耐久性差、易发生不均匀膨胀或收缩等问题;由于以上这些RPCs不是特别优异的响应性能以及含有较大的凝胶尺寸,使其在微区环境以及对高分子的检测受限。针对以上问题,本文借助Fe_3O_4@PVP胶体纳米粒子的壳层PVP分子能与单体之间发生作用的特点,制备了对pH响应的Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)凝胶式核壳胶体纳米粒子,以其为组装基元构筑了对pH响应的磁响应性光子晶体传感器,并探究了其pH响应性能;利用PVP与高分子PAA间的氢键物理交联作用,发展了基于空间位阻型的磁响应性光子晶体的PAA比色传感器,探究了PAA对其光学性能的影响。论文的主要研究工作如下:(1)以单分散超顺磁Fe_3O_4@PVP胶体粒子为模板,利用氢键诱导模板聚合法制备了Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)胶体粒子,微观结构分析表明粒子的凝胶壳层厚度仅为几个纳米。(2)以Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)凝胶式核壳胶体纳米粒子作为组装基元构筑了pH响应的光子晶体传感器。光学性能测试结果表明传感器具有高的灵敏度(?λp/?pH=329.22 nm/pH)和快速的响应时间(44.30 ms),且在pH为4.40-7.20范围内的衍射光谱几乎覆盖整个可见光谱,表现出优异的比色性能;此外,所制备的凝胶式核壳胶体纳米粒子由于同时具有可逆组装(可变形性)、较小的尺寸以及对外界pH响应的特点,因此可通过极其微小的环境(如狭窄的孔道)至指定区域实现分析物的检测。(3)Fe_3O_4@PVP@responsive hydrogel核壳纳米粒子的制备具有可设计性。这是因为氢键诱导的模板聚合法具有普适性。对于可直接与PVP分子形成氢键的响应性单体可遵循上述粒子的制备方法;而对于不能直接与PVP分子形成氢键的响应性单体(如NIPAM),则可通过引入“架桥分子”(如PAA分子链)间接将响应性单体富集到Fe_3O_4@PVP粒子周围并引发聚合的方式制备获得。(4)探究了基于由分子刷式Fe_3O_4@PVP胶体纳米粒子组装的磁响应性光子晶体在不同溶剂体系中对PAA的响应时间;探究了不同浓度的PAA(M.W3000)对分子刷式核壳纳米粒子(Fe_3O_4@PVP)的影响,并分析了其作用机理。在定磁场下,随着PAA浓度的增大(0-2000 mg?L~(-1)),衍射波长呈现先红移后蓝移的趋势(可覆盖整个可见光谱),当PAA浓度为40 mg?L~(-1)时,衍射波长达到最大值。(5)探究了磁场对不同PAA浓度作用下的Fe_3O_4@PVP胶体粒子的影响,通过磁场可以很好的证明不同PAA浓度作用后的Fe_3O_4@PVP核壳胶体粒子壳层的可压缩能力,并利用磁场快速方便的区分了同一波长所对应的不同PAA浓度。(6)探究了由Fe_3O_4@PVP胶体纳米粒子构筑的光子晶体传感体系对PAA的选择性。本文利用氢键诱导的模板聚合法制备了Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)磁性胶体粒子,在定磁场下所构筑的光子晶体pH化学传感器具有响应速度快、灵敏度高的特点,且可逆的磁控组装特性使其能够应用于微小环境的检测;利用Fe_3O_4@PVP表面分子刷与分析物间氢键键合从而引起光子带隙移动的原理,发展了能够对高分子类分析物PAA进行检测的光子晶体化学比色传感器。该光子晶体化学传感器对分析物的浓度、分子量具有很好的识别性。
【图文】：

第一章 绪 论应性光子晶体 响应性光子晶体简介子晶体（Photonic crystals, PCs）又称光子禁带材料，是由不同折射率周期性排列而成的结构[1, 2]。它能够调制具有相应波长的电磁波[3]。光子带隙范围内的光子，则不能进入该晶体结构。当带隙的范围在内时，即可产生裸眼可视的结构色。与普通的颜料和色素相比，这有无毒、高亮度、高饱和度和永不褪色等突出的优点[4, 5]。当外界环时，自然界中的许多生物（如昆虫、鸟类、海洋生物等）依靠自身的可逆变化实现通信、伪装或警告敌人[6-8]，如图 1-1。

图 1-2 3D RPCs 中的可调参数的原理图[9]e 1-2 Schematic illustration of the parameters that can be a 3D RPC structure[9]应性水凝胶的 pH-RPCs子组装体/反蛋白石型直接、简单的设计策略是用单分散、响应性胶体粒子结构[26]。外界刺激下 RPCs 衍射峰位或结构色的变化引起的 d 的改变，但响应性凝胶粒子的易变形性也重复稳定性差。相对而言，，通过将非响应性胶体粒子性聚合物基体中获得的 RPCs 具有更好的力学稳定性体晶体阵列（Polymerized crystalline colloidal array, P单体在 CCA（Crystalline colloidal array）周围引发聚
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O734;TP212.2

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本文编号：2647490