凝胶光子晶体

光子晶体是一种介电常数（或折射率）可以周期性调制的结构,其自激辐射抑制和光子局域化性质使其可以简便而有力的限制、控制和调控光子。近年来,利用胶体晶体自组装性质与水凝胶的传统应用相结合制成的凝胶光子晶体在药物释放、光学开关、金属探针、生物传感器等的新应用方面的研究蓬勃发展,在新材料开发及临床应用等方面取得巨大进展。本文概述了胶体晶体自组装并对该类凝胶光子晶体进行了分类介绍并对其发展趋势进行了评述和展望。     

反蛋白石光子晶体凝胶的pH响应

首先采用Stber方法制备了一系列亚微米级单分散二氧化硅小球,而后通过垂直沉降自组装方法制备了颜色鲜艳的二氧化硅三维有序结构胶体晶体模板,最后再采用模板聚合法在220 nm二氧化硅小球自组装的阵列间隙中共聚甲基丙烯酸和乙二醇二甲基丙烯酸酯,经氢氟酸刻蚀二氧化硅模板后得到多孔有序的反蛋白石光子晶体.当pH值从5升至8时,反蛋白石凝胶光子晶体的反射峰波长从514 nm移动至590 nm,颜色变化显著,从蓝绿色变成红色,突变点为pH=6.5,而且pH响应在100 s左右即可达到平衡.对交联剂用量的研究结果表明,随着交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯用量从4%增加到16%,光子晶体响应pH时的红移量减小.     

化学响应性光子晶体

光子晶体是一种具有光子带隙结构的周期性电介质材料,如果将响应性材料组装到光子晶体结构中,所形成的光子晶体的带隙结构则对外界环境的变化具有响应性,而被称为响应性光子晶体。响应性光子晶体作为光子晶体的一个新领域,由于其在传感器,生物医学,临床检测等方面的潜在应用,近几年受到广泛关注。根据外界环境的不同,响应性光子晶体可简单分为化学响应性光子晶体、物理响应性光子晶体和生物响应性光子晶体等。本文将对化学响应性光子晶体的国内外研究动态做一简要介绍,重点介绍以下五种化学响应性光子晶体:金属离子响应光子晶体、pH响应光子晶体、氧化还原响应光子晶体、葡萄糖响应光子晶体和光化学响应光子晶体。     

多重网络增强的层状光子晶体水凝胶及应力变色响应

基于PDGI/PAAm (PDGI/SN)层状光子晶体水凝胶,制备了多重网络PDGI/PAAm-PAMPS-PAAm(PDGI/TN)水凝胶,将水凝胶浸入6 : 4(V/V)乙醇水溶液中去溶胀,记为凝胶PDGI/TN-0.6。结果表明,引入多重网络之后,PDGI/TN凝胶的溶胀率从PDGI/SN的850% ± 45%提高到1070% ± 50%,颜色从蓝色(λ_max=450 nm)变为透明,去溶胀后Bragg衍射峰为670 nm,实现凝胶的Bragg衍射峰在450－670 nm间调控。拉伸和压缩实验说明,PDGI/TN-0.6力学性能优异,拉伸强度和压缩强度分别达到0.99和37.0 MPa。同时,PDGI/TN-0.6具有优异应力变色响应性,压缩应变(ε_c)从0增加到0.5,Bragg衍射峰发生蓝移,响应范围覆盖可见光;当撤去应力后,立即恢复初始状态,可重复多次。利用扫描电镜(SEM)进一步研究了层状光子晶体水凝胶层微观结构。     

糖蛋白印迹二维光子晶体水凝胶传感器的构建

制备了一种特异性识别糖蛋白的二维光子晶体分子印迹水凝胶。以刀豆蛋白A(Con A)为模板分子,甲叉双丙烯酰胺(MBA)为交联剂,丙烯酰胺(AAm)与4-乙烯基苯硼酸为功能单体,N,N,N′,N′-四甲基乙二胺(TEMED)为引发剂,过硫酸铵(APS)为催化剂,在聚苯乙烯二维光子晶体(PC)表面产生聚合反应形成水凝胶,接着用10%的乙酸溶液洗脱模板分子,制备了可对Con A特异性识别的二维光子晶体分子印迹水凝胶(MIPs)传感器。结果表明,当MIPs的交联度为10%时,德拜环的直径变化最显著,对目标物的识别最灵敏。该传感器对Con A在0～0.5 mg/mL范围内具有良好的响应与识别能力,可用于目标物的富集和即时检测。同时,苯硼酸的引入,增加了印迹空穴的识别位点,进一步改善了印迹材料对糖类分子的特异识别性。该水凝胶传感器在卵清白蛋白(OVA)、牛血红蛋白(BHb)、溶菌酶(Lyz)、胰蛋白酶(Try)溶液中德拜环的直径变化远小于识别相同浓度的Con A引起的德拜环直径的变化,表现出良好的选择性。该方法操作简单,成本低廉,可重复使用,不需特殊仪器设备,可拓展到其它糖蛋白,实现糖类目标蛋白的...     

聚乙烯醇二维光子晶体水凝胶的制备及乙醇响应行为

以单分散的聚苯乙烯微球乳液为原料, 采用针尖注射法制备了聚苯乙烯二维光子晶体阵列, 采用聚乙烯醇填充二维光子晶体阵列, 以戊二醛为交联剂, 得到聚乙烯醇二维光子晶体水凝胶(PVA·2DPCH). 通过测定PVA·2DPCH在不同浓度的乙醇/水溶液中的德拜环直径(D)变化, 研究了PVA·2DPCH对乙醇的响应行为. 结果表明, 在乙醇体积分数为0~60%范围内, PVA·2DPCH对乙醇没有明显响应, 德拜环直径基本保持不变; 当乙醇体积分数超过60%时, PVA·2DPCH对乙醇表现出敏感响应, 其德拜环直径随乙醇体积分数的增大而增大, 响应时间仅需30 s; 在乙醇体积分数为60%~100%范围内, PVA·2DPCH的德拜环直径变化(ΔD)与乙醇体积分数(V_e)呈线性相关: 当60%≤V_e≤75%时, 其线性回归方程为ΔD=50.30V_e-31.74, r²=0.9734; 当75%<V_e≤100%时, 其线性回归方程为ΔD=111.14 V_e-74.03, r²=0.9902. 以制备的PVA·2DPCH为乙醇传感器, 利用德拜环法测定市售酒精消毒液中乙醇含量, 方法简单快速, 兼具无标记、 可视化检测的特点.     

快速响应聚合物光子晶体研究进展

响应性光子晶体以其亮丽的结构色彩及光学信号对外场刺激的响应性变化,在化学传感、智能显示等领域具有重要的应用前景.本文综述了快速响应聚合物光子晶体的研究进展.首先从原理上阐述了影响溶胀型光子晶体响应速率的因素,系统总结了针对不同因素提高其响应速率的研究工作,着重探讨了溶胀型光子晶体水凝胶的尺寸、聚合物链段的物理化学性能(包括多孔结构和亲疏水性)、凝胶网络的交联度等因素对响应速率的影响.同时也简要介绍了影响非溶胀型响应性光子晶体,如光、电、磁、机械力等外场诱导体系折光指数变化的响应性光子晶体的响应速率的因素.最后展望了响应性光子晶体的热点研究方向.这些工作对于提高光子晶体的响应速率,发展其在实时分析、在线检测等领域的应用具有重要意义.     

胶态磁组装光子晶体及其离子强度响应

采用细乳液聚合方法合成了聚合物包覆的磁性复合纳米粒子(MCNPs),通过磁场诱导组装制备得到胶态磁组装光子晶体(CMA-PCs).透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)表征结果表明,MCNPs具有规整的球形形貌和明显的核壳结构,并且单分散性较好,平均粒径为112 nm,聚合物壳层厚约10 nm.MCNPs在外界磁场的作用下可以快速(1 s)组装形成光子晶体结构.当离子强度在0.03~0.75 mmol/L范围内变化时,CMA-PCs的衍射色呈现从橙红色到紫色的变化,反射波长从607 nm蓝移至434 nm,并且离子强度的响应在10 s内即可达到平衡,表明制得的CMA-PCs可以作为化学传感器应用于离子强度的半定量检测,并且具有简便、快速及裸眼可视化检测的优点.     

红霉素分子印迹二维光子晶体水凝胶传感器的研究

以红霉素为印迹分子,聚苯乙烯二维光子晶体为模板,甲基丙烯酸为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸甲酯为交联剂,2,2-二乙氧基苯乙酮为引发剂,紫外光引发聚合,在甲醇-乙酸(9∶1, V/V)中洗脱印迹分子,得到能够特异性识别红霉素的分子印迹二维光子晶体水凝胶.通过测试德拜环直径变化,研究了此水凝胶在红霉素溶液中的响应性能.实验结果表明,当红霉素的浓度从0增加到1×10-6 mol/L时,德拜环直径增加6 mm, 相应的晶格间距减小30 nm.此外,水凝胶在1×10-6 mol/L红霉素的类似物罗红霉素、琥乙红霉素溶液中,德拜环直径仅分别增加1.5和2.0 mm,表明此光子晶体水凝胶具有良好的选择性,有望用于红霉素低成本的简易检测.     

2,4,6-三氯酚分子印迹光子晶体水凝胶传感器的研究

以SiO2三维光子晶体为模板,2,4,6-三氯酚为印迹分子,甲醇为溶剂,甲基丙烯酸为功能单体,乙二醇二甲基丙烯酸甲酯为交联剂,通过紫外光引发聚合,在2%氢氟酸溶液中去除光子晶体模板,0.015 mol/L NaOH溶液中洗脱印迹分子,制得2,4,6-三氯酚检测用分子印迹光子晶体水凝胶传感器。结果表明,传感器对2,4,6-三氯酚具有良好的响应与识别能力,在2,4,6-三氯酚浓度由0增加到6×10-4 mol/L过程中,吸收峰红移31 nm;浓度继续增加,吸收峰开始发生蓝移;当浓度增加到1×10-3 mol/L时,吸收峰蓝移56 nm,响应时间仅需要30 min。2,4,6-三氯酚分子印迹光子晶体水凝胶传感器具有高灵敏、高选择、易操作等优点,可实现对2,4,6-三氯酚的裸眼检测。     

Responsive photonic crystal for the sensing of environmental pollutants

This review covers the concepts of photonic crystal (PhC) and its usage for the sensing of environmental pollutants. PhCs are composed of periodic and ordered nanostructures which can manipulate the diffraction or reflection of light propagation through the structures. If the light spectra locate in the visible range, the color of materials can be observed by naked eye. The optical properties of PhCs are determined by the lattice constant of the crystal or by the refractive index contrast between the colloids and the surrounding medium. Based on these features, responsive PhCs can be designed to detect the environmental pollutants. In this review, we primarily described the photonic crystals for the sensing of volatile organic compounds (VOCs), organophosphates (OPs), heavy metal ions and endocrine disrupting chemicals (EDCs), and these sensors exhibited excellent sensitivity and are promising for the on-site monitoring of pollutants.     

梯度结构胶体光子晶体的制备及光子禁带调节

以改进的对流自组装方法制备层数可控的胶体光子晶体, 并通过各向同性氧等离子体(O₂ Plasma)刻蚀构造出梯度结构, 进一步通过金(Au)及无定形硅(Si)的可控沉积调节梯度结构胶体光子晶体的光子禁带, 并将该梯度结构用于罗丹明B的荧光发射增强.     

Fabrication of BaTiO3 Inverse Opal Photonic Crystal

The colloidal crystal template or opal with a closed-packed face centered cubic (fcc) lattice, was prepared from monodisperse polystyrene (PS) spheres by gravity sedimentation. The template was used for the generation of photonic crystal. The template provided void space for infiltration of liquid precursor composed of titanium butyloxide, barium acetate, ethanol, and acetic acid. The opal composite was hydrolyzed, dried, sintered by heating for completely removing PS spheres to form BaTiO3 photonic crystals with inverse opal structure. The PS spheres were replaced by air spheres, which interconnected each other through the windows on the BaTiO3 wall.So both the BaTiO3 wall and air void constitute continuous phases.     

Fabrication of Photonic Crystal Structures by Femtosecond Laser-Induced Photopolymerization of Organic-Inorganic Film

We report on a fabrication of photonic crystal structures in organic-inorganic hybrid films by a laser interference technique. Films containing the methacrylic group, which is photopolymerable by an adequate laser light, are prepared using a sol-gel technique from a mixture of organosilicate alkoxide and zirconium alkoxide modified by methacrylic acid. For the photopolymerization, the coated films on glass substrate are exposed to the interference light which is arranged with a square lattice in about 1 m spacing. From microscopic images of microstructures produced by the photopolymerization, the influence of changes in conditions such as pre-bake temperature, photoinitiator and irradiation energy (laser power and duration time) on periodic structure is investigated. Adjusting the conditions, 2D and 3D photonic crystal structures with the micrometer-order period are formed in organo-silicate-zirconate hybrid materials.     

聚苯乙烯光子晶体的制备及其在传感中的应用

以基于毛细作用的垂直沉积法将单分散的二氧化硅胶体微球自组装成光子晶体．在二氧化硅光子晶体的多孔结构里填充聚苯乙烯甲苯溶液,经甲苯挥发,通过氢氟酸处理去除二氧化硅模板,制备出精美的聚苯乙烯光子晶体．研究表明：保留了模板有序多孔结构的聚苯乙烯能被用来作为敏感膜,这使得其在基于折射率变化的传感应用中具有潜在的价值．     

高灵敏比色检测Cu~(2+)的反蛋白石结构光子晶体水凝胶膜

以丙烯酰胺(AM)和N-乙烯基咪唑(NVI)为双功能单体,借助"三明治"结构有效控制前驱液的填充,制备了可特异性识别Cu~(2+)的反蛋白石结构光子晶体水凝胶膜(PCHs).该PCHs具有相互贯通的三维有序大孔结构,可在Cu~(2+)缓冲溶液中快速响应,产生特征的布拉格(Bragg)衍射峰.随着Cu~(2+)浓度的增大(0~10-4mol/L),PCHs的Bragg衍射峰位移66 nm,并伴随着明显的颜色变化(由棕红色逐渐变为黄绿色).此外,PCHs在混合金属盐溶液中仍能实现对Cu~(2+)的特异性识别.PCHs对Cu~(2+)的特异识别性、快速响应及自表达的特点为Cu~(2+)现场快速检测提供了可能.     

金属Al薄膜基微池强制沉积胶体光子晶体的制备

强制沉积法是一种利用自组装原理快速沉积胶体晶体有序阵列的模板方法. 我们利用微机械刻划法加工金属Al薄膜, Al膜厚控制微粒粒径和聚醚砜膜厚控制层数, 成功地制备了用于强制沉积光子晶体的微池装置. 为了检验该微池装置的有效性, 我们分别测试了不同粒径(224, 245和283 nm)单分散聚苯乙烯微球的沉积效果, 并且对其中一种微球(283 nm)进行了不同温度的烘干处理, 检验了烘干温度对该样品表面形貌和光子带隙中心波长的影响. 实验结果表明, 该光子晶体呈面心立方结构, 内部晶格完整, 缺陷较少, 带隙中心波长的实验值与计算值符合得较好. 此外, 烘干处理可以使构成光子晶体的微球发生微观变化, 并导致光子带隙中心波长的蓝移.     

Establishment of a Multivariate Analysis Based on Photonic Crystal Hydrogel Bead Arrays and Its Application for Detecting Platelet-specific Antibodies

Photonic crystals are nanomaterials with unique structural coloration, and they have been used in multiple analyses, gene function analyses, and nanoarray biosensors. Here, we used agarose hydrogel microcarriers with characteristic reflection peak codes to improve the biocompatibility of the material and the efficiency of detection, which may be helpful for further clinical applications. The paper has two parts: condition optimization and product application. Goat antihuman immune globulin G, human immune globulin G, and fluorescein isothiocyanate-labeled goat antihuman immune globulin G are commonly used materials in double-antibody sandwich techniques, which are used for optimization in the application of advanced composite materials. Goat antihuman immune globulin G was immobilized on the surfaces of photonic crystal hydrogel beads through chemical bonding. When the target immune globulin G was captured, the fluorescence-labeled antibody could combine with photonic crystal hydrogel beads. The reaction conditions were optimized using the gray-scale value of fluorescent intensities. Photonic crystal hydrogel beads with different reflection spectra were coated with purified platelet glycoprotein IIb/IIIa and glycoprotein Ib/IX. A total of 64 clinical samples including sera from patients with immune thrombocytopenia (n?=?32) and healthy human sera (n?=?32) were tested using photonic crystal hydrogel beads and monoclonal antibody immobilization of platelet antigen (MAIPA). Photonic crystal hydrogel bead array reaction conditions were established for multiple analysis, showing similar sensitivity and specificity with MAIPA in testing different platelet antibodies and shortening the analysis time. The features of these composite materials make them suitable for potential applications in clinical screening assays.