PMMA蛋白石结构光子晶体的制备及其双酚A分子印迹光子晶体传感器的构建

发布时间：2017-06-28 19:09

  本文关键词：PMMA蛋白石结构光子晶体的制备及其双酚A分子印迹光子晶体传感器的构建，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：双酚A(Bisphenol A, BPA)是一种环境类内分泌干扰物,又称环境激素类物质。作为一种广泛应用的化工材料,目前BPA被滥用于生产罐头内包装、食品包装材料、牙科填充剂、婴儿用品等塑料行业。大量研究证实,若生命成长的关键时期(孕期和出生后的早期)暴露在BPA中,将会导致内分泌失调,严重影响胎儿和儿童的正常发育以及生殖功能等。因此,亟需发展一种高选择性和高效率性的检测方法以便于监测环境中的BPA水平。 光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是由两种以上具有不同折光系数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料。它具有尺度为光波长量级的重复结构单元,通过对这些结构单元的合理设计,可以调控PCs的光学性质。这些特性使PCs成为理想的传感材料,应用于化学和生物传感器领域。而分子印迹技术(Molecular Imprinting Technology, MIT)是基于抗原-抗体的识别原理而采用化学方法合成的高分子聚合物,也被称为“人工抗体”。同抗体功能相似,MIPs具有选择性识别目标分子或与其结构相近的某一类化合物的能力,同时其化学性能更为稳定。 本文通过联用MIT和PCs技术构建三维仿生光子晶体传感器,以实现对环境激素类物质BPA的检测。为了成功构建该传感技术平台,第一部分：首先进行了技术基础研究。到目前为止,人们面临的主要挑战之一是如何控制微球的粒径大小及粒径均一化程度,而粒径大小固定且均一的微球是制备光子晶体所必须的原材料。在本研究中,通过控制合成时的各个条件成功制备了不同粒径大小且均一的聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate, PMMA)微球,并分别制备了不同结构色的光子晶体。利用所制备的PMMA纳米微球构建了刺激响应性的聚甲基丙烯酸甲酯光子晶体(Polymethyl methacrylate Photonic Crystals, PMMA PCs),并系统的研究了合成条件、微球粒径、光子晶体结构色以及光学衍射峰之间的关系,实验结果与Bragge法则计算结果具有良好的一致性。而且,我们对PMMA PCs的刺激响应性进行了细致的研究,PMMA PCs对不同环境因素的刺激响应各不相同,刺激响应表现为反射峰的位移或者峰强度的变化,这两种响应方式都可以作为评估传感特性的参数。这些研究为后面传感器的成功构建奠定了基础。第二部分：仿生光子晶体传感器构建,通过联用分子印迹技术和光子晶体技术成功构建了分子印迹的蛋白石光子晶体传感器(Opal Photonic Crystal Sensor, OPCS),此传感器能快速、无标记的检测水溶液中痕量BPA。 这两部分的研究内容具体如下： (1)通过改变合成条件(包括引发剂的用量,反应时间,搅拌速度,单体的用量,交联剂的用量)控制合成的PMMA纳米微球的粒径。成功制得不同粒径的微球,粒径范围在150～300nm,通过反复离心分散均一微球的粒径,粒径偏差在±5nm。再利用垂直沉积自组装的方法将不同粒径的PMMA微球分别制备成光子晶体。研究微球粒径-光子晶体结构色-光学衍射峰之间的关系,结果表明随着PMMA微球粒径的增大,制备的光子晶体的反射峰的位置逐渐红移,结构色也各不相同。结果与布拉格法则基本一致。同时对光子晶体的刺激响应特性展开研究,实验表明PMMA PCs对环境pH的变化不敏感；当温度从60℃降低到10℃的时候,光子晶体反射峰强度从130降低到了79；当体系的乙醇含量由0增加到100%的时候,光子晶体反射峰峰位置红移了53nm。光子晶体对pH,温度和乙醇敏感性的研究,证明了PMMA PCs对pH不敏感,有助于该种光子晶体在不同pH的溶剂中的应用,温度使PMMA PCs的峰强产生响应变化,而乙醇溶剂则使它的峰发生了位移,这不但说明了PMMA PCs对温度和乙醇敏感,还证明了峰强和峰位置的变化,都可以做为评估光子晶体敏感特性的参数。这些研究为我们下一步在构建蛋白石结构光子晶体传感器方面奠定了基础。 (2)第二部分研究中通过联用PCs技术和MIT,构建了分子印迹的蛋白石结构光子晶体传感器(OPCS),并用于对水中痕量的BPA进行无标记的检测。首先通过无皂乳液聚合的方法到了粒径为220±5nm BPA印迹的单分散PMMA纳米微球,这样大量的BPA印迹的纳米孔穴就分散存在于PMMA微球中。将单分散的PMMA微球制备成光子晶体,再洗脱目标分子BPA,就成功制得了分子印迹的OPCS。微球内部的高亲和力纳米空穴能对目标分子BPA产生特异性的识别吸附。该传感器具有三维有序相互交联的晶格结构,微球间存在规则的孔隙,有利于目标物分子的进入、扩散和印迹孔穴对目标物的识别。结果显示,衍射峰峰强度的变化与BPA的浓度相关,该传感器可用于对BPA的检测,检测范围为1ng/mL～1gg/mL。这种新型的传感系统能快速简单、低成本、高选择性的检测BPA。更重要的是,本研究提出了一种新的分析系统用于构建新的传感器,以实现对环境激素类物质的检测。
【关键词】：聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球 光子晶体 分子印迹的蛋白石结构光子晶体传感器 纳米孔穴 衍射强度 双酚A
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：O621.3;TP212.2
【目录】：

• 中文摘要8-11
• Abstract11-14
• ~.略词表14-15
• 第一章 前言15-39
• 1 引言15-16
• 2 光子晶体(PCS)—高性能的传感材料16-34
• 2.1 光子晶体技术的发展16-17
• 2.2 光子晶体的定义17
• 2.3 光子晶体的特性17-19
• 2.4 光子晶体的制备方法19-25
• 2.4.1 机械制作的方法19-21
• 2.4.1.1 钻孔法19-20
• 2.4.1.2 层层叠加法20-21
• 2.4.2 自组装法(Self-Assembly)21-23
• 2.4.2.1 重力沉降法21-22
• 2.4.2.2 垂直沉积法22-23
• 2.4.3 强制有序法(Park et al.,1999)23-24
• 2.4.4 电泳沉积法24-25
• 2.4.5 离心沉积法25
• 2.4.6 抽滤法25
• 2.5 光子晶体应用于传感器的研究25-34
• 2.5.1 光子晶体传感器—物理26-28
• 2.5.1.1 光子晶体—温度传感器26-28
• 2.5.1.2 光子晶体—压力传感器28
• 2.5.2 光子晶体传感器—化学28-31
• 2.5.2.1 光子晶体—离子和温度传感器28-30
• 2.5.2.2 光子晶体—pH传感器30-31
• 2.5.3 光子晶体传感器—生物31-34
• 2.5.3.1 乙酰胆碱酯酶—有机磷化物31-32
• 2.5.3.2 抗体—流感病毒32-34
• 3 分子印迹技术34-37
• 3.1 分子印迹技术的发展34-35
• 3.2 分子印迹技术的定义和原理35
• 3.3 分子印迹技术的分类35-36
• 3.4 分子印迹聚合物的制备36
• 3.4.1 聚合物制备的材料组成36
• 3.4.2 聚合方法36
• 3.5 分子印迹聚合物在传感领域中的应用36-37
• 3.6 与光子晶体结合制备传感器的优势37
• 4 课题的提出及本论文研究的内容和意义37-39
• 第二章 PMMA纳米微球粒径控制及其制备的光子晶体响应特性研究39-61
• 1 引言39-40
• 2 实验材料和方法40-46
• 2.1 实验材料40-41
• 2.2 实验仪器与设备41-42
• 2.3 实验流程图42-43
• 2.4 粒径均一的PMMA微球的制备43-44
• 2.4.1 PMMA微球的制备43
• 2.4.2 均一PMMA微球的粒径43-44
• 2.5 PMMA蛋白石结构光子晶体的制备44
• 2.5.1 旋涂法制备光子晶体44
• 2.5.2 抽滤法制备光子晶体44
• 2.5.3 垂直沉积法制备光子晶体44
• 2.6 合成条件对微球粒径的影响实验44-45
• 2.7 PMMA蛋白石光子晶体的环境因素刺激响应性研究45
• 2.7.1 光子晶体对pH的刺激响应性45
• 2.7.2 光子晶体对温度的刺激响应性45
• 2.7.3 光子晶体对溶剂乙醇的刺激响应性45
• 2.8 PMMA微球粒径的计算方法45-46
• 2.9 光子晶体的光学性能测试46
• 2.10 PMMA蛋白石光子晶体的宏观结构颜色表征46
• 2.11 PMMA蛋白石光子晶体的形貌表征方法46
• 3 结果与讨论46-60
• 3.1 PMMA粒径与合成条件的关系46-53
• 3.1.1 单体MMA的量与微球粒径的关系46-49
• 3.1.2 引发剂KPS的量与微球粒径的关系49-50
• 3.1.3 搅拌速度与微球粒径的关系50-51
• 3.1.4 反应时间与微球粒径的关系51-52
• 3.1.5 交联剂EDGMA的量与微球粒径的关系52-53
• 3.2 单分散性53-54
• 3.3 自组装方法对PMMA光子晶体的影响54-55
• 3.4 微球粒径-光子晶体反射峰-结构色55-57
• 3.5 响应性研究57-60
• 3.5.1 PMMA光子晶体对pH的响应性57-58
• 3.5.2 PMMA光子晶体对温度的响应性58-59
• 3.5.3 PMMA光子晶体对乙醇的响应性59-60
• 4 结论60-61
• 第三章 双酚A分子印迹的蛋白石光子晶体传感器构建61-75
• 1 引言61-63
• 2 材料与方法63-67
• 2.1 仪器与试剂63
• 2.2 BPA印迹的PMMA纳米微球的制备63-64
• 2.3 均一微球的粒径,得到220(±5)NM的PMMA微球64-65
• 2.4 BPA分子印迹和非印迹PMMA蛋白石光子晶体的制备65
• 2.5 模板分子BPA的洗脱65
• 2.6 MIPP和NIPP对BPA的吸附实验65
• 2.7 BPA印迹的蛋白石光子晶体传感器的响应特异性分析65-66
• 2.8 溶剂甲醇对传感器的影响研究66
• 2.9 响应时间的实验66
• 2.10 表征方法66
• 2.11 BPA印迹光子晶体对BPA的吸附实验的流程图66-67
• 3 结果与分析67-74
• 3.1 BPA与MMA间的氢键相互作用67
• 3.2 扫描电镜表征光子晶体膜的表面形态67-69
• 3.3 (MIPP)以及非印迹的(NIPP)薄膜对目标分子BPA的吸附实验结果69-71
• 3.4 BPA分子印迹光子晶体薄膜(MIPP)吸附选择性研究71-73
• 3.5 溶剂对分子印迹光子晶体的影响实验73
• 3.6 分子印迹光子晶体薄膜的响应速度实验73-74
• 4 结论74-75
• 第四章 全文总结及展望75-77
• 5.1 全文总结75
• 5.2 展望75-77
• 参考文献77-92
• 在学期间发表的学术论文题录92-93
• 致谢93

【参考文献】

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本文编号：494979