光子晶体的制备及在传感器中的应用

发布时间：2017-07-01 09:22

  本文关键词：光子晶体的制备及在传感器中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光子晶体是一种新兴的功能材料，通过对光波的调制，光子晶体的光学禁带处于可见光波段，从而它的结构色能够被人眼观测到。当光子晶体与响应性材料结合后，在外界物理、化学刺激等的作用下会出现结构色的改变，这一特性使其广泛地应用于传感器中。本文分别制备了三种不同的响应性光子晶体，以拓展其在传感器中的应用。 我们利用种子法制备了单分散的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）胶体小球，并通过尖端导流法，使其在空气和水的界面处进行自组装，形成二维单层有序胶体阵列。我们进而将其应用于对内分泌干扰物对硝基酚（p-NP）的检测。实验结果表明，固载后的二维胶体阵列对p-NP的响应较弱。 我们将三维PMMA胶体阵列模板包埋在可生物降解的纤维素中，制备了蛋白石型纤维素光子晶体膜，并将其用于对挥发性有机物的检测中。实验结果表明，该纤维素光子晶体膜对乙醇、正丙醇、异丙醇和正丁醇的液态、饱和蒸汽压下的气氛以及低浓度气氛有不同的响应，并且它的结构色由最初的蓝色变为绿色，为裸眼检测奠定了基础。而对于甲醛气体，当它的浓度为200ppm时，纤维素光子晶体膜的响应较弱；对于液态甲苯和丙酮，纤维素光子晶体膜的结构色由蓝色变为无色。与此同时，我们初步探索了反蛋白石型纤维素光子晶体膜的制备。当以三维PMMA胶体阵列为模板时，丙酮、甲苯、氯仿以及氯仿与丙酮的混合溶剂（V/V，2/1）等无法将PMMA胶体小球完全刻蚀，导致形成的反蛋白石型光子晶体膜的反射峰强度很弱，还需要进一步的优化和研究。 我们将光子晶体与纳米复合凝胶结合，，分别制备了对拉力有响应的二维、三维纳米复合光子凝胶。随着拉力的增大，三维光子凝胶的结构色由原来的蓝色逐渐变成黄绿色、淡红色，覆盖了整个可见光范围；二维光子凝胶的德拜衍射环发生变形，由原来的圆变为椭圆，当施加的拉力足够大时，变成两条近似的平行线。
【关键词】：光子晶体 传感器 纤维素 纳米复合凝胶
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O734;TP212
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 光子晶体基本理论11-13
• 1.2 光子晶体的制备13-15
• 1.2.1 尖端导流法13-14
• 1.2.2 旋转涂布法14
• 1.2.3 垂直沉积法14-15
• 1.3 基于光子晶体的传感器15-21
• 1.3.1 温度响应型的光子晶体传感器15-16
• 1.3.2 力学响应型的光子晶体传感器16-17
• 1.3.3 对溶剂、气体响应的光子晶体传感器17-18
• 1.3.4 电响应型的光子晶体传感器18-19
• 1.3.5 磁响应型的光子晶体传感器19
• 1.3.6 基于光子晶体的生物传感器19-21
• 1.4 本文主要研究内容和意义21-22
• 第二章 二维光子晶体的制备及在传感器中的应用22-34
• 2.1 试剂和仪器22-23
• 2.1.1 试剂22
• 2.1.2 仪器22-23
• 2.2 单分散聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）胶体小球的制备及表征23-28
• 2.2.1 一步法制备大粒径的 PMMA 胶体小球23
• 2.2.2 种子法制备大粒径的 PMMA 胶体小球23-24
• 2.2.2.1 种子 PMMA 胶体小球的制备23
• 2.2.2.2 大粒径 PMMA 胶体小球的制备23-24
• 2.2.3 单分散 PMMA 胶体小球的表征24-25
• 2.2.4 PMMA 胶体小球制备的改进优化25-28
• 2.2.4.1 离心法25
• 2.2.4.2 单体前处理的改进25-26
• 2.2.4.3 单体 MMA 纯度的优化26-28
• 2.3 单分散 PMMA 胶体小球的自组装及表征28-31
• 2.3.1 展开剂的选择29
• 2.3.2 二维胶体阵列的表征29-31
• 2.4 二维 PMMA 胶体阵列的应用31-32
• 2.4.1 对硝基酚溶液的配制31
• 2.4.2 对硝基酚的检测31-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第三章 纤维素光子晶体膜的制备及对 VOCs 的响应34-51
• 3.1 试剂和仪器34-35
• 3.1.1 试剂34-35
• 3.1.2 仪器35
• 3.2 三维胶体阵列的制备35-37
• 3.2.1 载玻片的预处理35-36
• 3.2.2 三维胶体阵列的自组装36-37
• 3.3 蛋白石型纤维素光子晶体膜的制备37-40
• 3.3.1 旋转涂布法38
• 3.3.2 直接滴加法38-40
• 3.4 蛋白石型纤维素光子晶体膜的应用40-44
• 3.4.1 对液态醇类的响应40-42
• 3.4.2 对气态醇类的响应42-44
• 3.4.2.1 对醇类饱和蒸汽压的响应42-43
• 3.4.2.2 对低浓度醇类气氛的响应43-44
• 3.4.3 纤维素光子晶体膜对其他挥发性有机化合物的响应44
• 3.5 反蛋白石型纤维素光子晶体膜的制备44-50
• 3.5.1 以 PMMA 为模板的反蛋白石型纤维素膜45
• 3.5.2 以 SiO2为模板的反蛋白石型纤维素膜45-50
• 3.5.2.1 SiO2小球的制备及表征45-49
• 3.5.2.2 SiO2胶体小球的自组装及表征49-50
• 3.6 本章小结50-51
• 第四章 对拉力有响应的纳米复合光子凝胶的制备51-57
• 4.1 试剂和仪器51-52
• 4.1.1 试剂51
• 4.1.2 仪器51-52
• 4.2 三维胶体阵列模板的制备及表征52-53
• 4.2.1 单分散 PMMA 胶体小球的制备52
• 4.2.2 载玻片的预处理52
• 4.2.3 PMMA 三维胶体阵列的自组装及表征52-53
• 4.3 以三维 PMMA 胶体阵列为模板的纳米复合凝胶的制备53-54
• 4.3.1 凝胶预聚液的制备53
• 4.3.2 纳米复合光子凝胶的制备53-54
• 4.4 以二维 PMMA 胶体阵列为模板的纳米复合凝胶的制备54
• 4.5 纳米复合光子凝胶的力学性能表征54-55
• 4.6 纳米复合光子凝胶的力学响应55-56
• 4.6.1 三维纳米复合光子凝胶的力学响应55
• 4.6.2 二维纳米复合光子凝胶的力学响应55-56
• 4.7 本章小结56-57
• 总结57-59
• 参考文献59-66
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单66-67
• 致谢67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 麻明友;;偶氮二异丁基盐酸脒引发甲基丙烯酸甲酯微球的无皂乳液聚合[J];材料科学与工程学报;2006年06期

2 薛飞;王一飞;王秋鸿;孟子晖;薛敏;黄舒悦;芦薇;;分子印迹胶体阵列检测对硝基苯酚[J];分析化学;2012年02期

3 丁涛;刘占芳;宋恺;;三维光子晶体的制备[J];化学进展;2008年09期

4 段廷蕊;李海华;孟子晖;刘烽;都明君;;光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展[J];化学通报;2009年04期

5 刘邻渭，陈宗道，王光慈;可食性甲基纤维素膜的制作及性质研究[J];食品工业科技;1995年05期

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本文编号：505401