聚合物光子晶体传感器的制备及其应用研究

发布时间：2018-11-18 21:19

【摘要】：自然界在漫长的进化过程中,为适应环境的变化,产生了一系列复杂的多层次结构。一些独特、有趣的功能性质就是基于各种形式的多层次结构实现的,例如某些生物的羽毛有着鲜艳的颜色,变色龙可以随着环境变色等。受这些自然界中的材料启发,人们通过胶体自组装等简便方法模仿和制备了可调控的具备更多复杂功能的刺激响应传感器。基于胶体晶体模板制备的反蛋白石结构聚合物光子晶体传感器就是研究的热点之一。反蛋白石结构光子晶体是指在三维上具有周期性的多孔功能材料,其不仅具有一般的多孔功能材料的性质,而且自身周期性的结构赋予了这类材料能够自表达的光学性质,因此在传感器的设计和应用方面引起了科研工作者越来越多的关注。本文通过改进的St?ber方法制备了单分散性的二氧化硅颗粒,并通过垂直自组装的方法得到蛋白石结构的胶体晶体模板,接着在其间隙填充不同的功能单体,聚合后将二氧化硅颗粒刻蚀就可制备得到反蛋白石结构的聚合物光子晶体传感器。基于不同功能单体聚合得到的传感器可以实现对不同外部刺激的特异性响应。主要研究结果总结如下:1.改进和优化了一种以温度与底物浓度双因素共同调节的制备单分散性二氧化硅颗粒的方法,实现了180-550 nm粒径范围的单分散性二氧化硅颗粒的制备,并通过扫描电镜进行了相关表征。相较于之前仅改变某一因素的方法,该方法的调节效果更为显著且均一性、稳定性和重复性都有了较大的提高,在较大量制备中也更具优势。基于不同粒径的二氧化硅颗粒,通过控制其浓度和组装温度等因素,制备了胶体晶体模板。以制备好的胶体晶体模板为基础,探索制备了具有不同光子带隙的反蛋白石结构聚合物光子晶体传感器。胶体晶体模板和传感器均通过扫描电镜和光纤光谱仪等进行了相关表征。2.基于反蛋白石结构光子晶体薄膜的独特光学性质和对特定范围pH值的敏感性,以丙烯酸为功能单体制备了一种新型的无标记碳酸根离子传感器。因其具有自表达的光学性质,在检测时无需对样品进行任何的预处理,也不需要任何分析仪器的辅助,传感器直接产生“裸眼”可视的光学信号。通过调节功能单体与交联剂之间的摩尔比例,可以实现不同浓度范围的检测:在比例为2:1时,可实现对10-30 mM碳酸根离子的检测;比例为5:1时,可实现对1-10 mM碳酸根离子的检测。传感器通过呈现不同的结构色实现了对不同浓度碳酸根离子的实时、快速和半定量的检测。由于传感器只对特定范围的pH值敏感,因而在其它常见阴离子,例如F-,Cl-,Br-,CH3COO-,NO3-,HCO3-,S2O82-,HPO42-,C2O42-和SO42-等存在时,表现出了良好的抗干扰能力。同时,该聚合物光子晶体传感器十分稳定且可循环利用。3.基于特殊的酶催化反应,以甲基丙烯酸为功能单体成功制备了一种新型的尿素传感器。在其骨架的构筑中,不同功能单体与交联剂的摩尔比例实现了不同尿素浓度范围的响应:在比例为2:1时,可实现对100-200 mM尿素的检测;比例为5:1时,可实现对10-40 mM尿素的检测;比例为8:1时,可实现对1-9 mM尿素的检测。特别的,临床上正常人体血液尿素浓度为2.5 mM到7.5 mM,传感器在该浓度范围检测时会发生颜色的突跃变化:当人体血液中尿素处于正常水平时,传感器为其初始颜色(绿色);当达到临界点(7 mM)时则转变为黄色;当红色出现时(9 mM,已超出了最大浓度限度),基本可以确定已经患上了肝肾相关功能的疾病。由于绿色、黄色和红色常用于交通指示灯,传感器的这种颜色突跃变化十分易于理解和接受。同时,由于脲酶的绝对专一性,传感器不会受到任何结构类似物(例如甲酰胺、乙酰胺、甲基脲和1,3-二甲基脲)的影响,仅能够对尿素分子产生特异性的响应。该传感器同样十分稳定且可以循环使用,在天然湖水复杂水样的测试中也表现出良好的适用性。这种特异性酶促反应与光子晶体技术结合的方法对其它分子的识别检测具有重要的借鉴意义。4.基于偶氮苯衍生物(光敏分子)在不同光照条件下的响应性,以丙烯酰胺和主客体分子为功能单体制备了一种光响应聚合物光子晶体传感器,并初步探索了传感器在不同光照条件(紫外光和可见光)下光致异构化的响应效果。
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【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O734;TP212
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本文编号：2341277