基于水凝膠的自組裝光子晶體制備及應(yīng)用

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1、中文摘要基于水凝膠的自組裝光子晶體制備及應(yīng)用中文摘要光子晶體是一種介電常數(shù)(或折射率)被周期性調(diào)制的結(jié)構(gòu)，具有光子禁帶的特征，因此在新型光電子器件和生物傳感等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。光子晶體可以通過機械加工、光刻、全息成像等方法制備，但這些制備方法大都需要復(fù)雜的裝置并且耗費時間長，費用昂貴?；趩畏稚⒛z體微球的自組裝方法由于具有制備過程簡便并可大面積制備具有三維結(jié)構(gòu)的光子晶體的優(yōu)點而得到廣泛的重視，已成為目前光子晶體制備的最常用的方法之一。通過單分散納米微球自組裝制備的光子晶體也被稱為膠體晶體，又可分為濕潤型和干

2、燥型兩種類型。在干燥型膠體晶體中，微球一般形成緊密堆積結(jié)構(gòu)。而濕潤型膠體晶體則是單分散膠體微球分散于液體或水凝膠中形成的具有非密堆積結(jié)構(gòu)。光子晶體的光子帶隙這一結(jié)構(gòu)特性由介質(zhì)的折射率(或介電常數(shù))和晶格參數(shù)決定。在外部環(huán)境的激勵下，其中任何一個因素的改變都可以起到調(diào)節(jié)光子禁帶的目的。此外，膠體晶體由于具有較大的比表面積，顏色穩(wěn)定等特性，非常適合作為生物分子編碼載體，但單一的顏色編碼不利于進一步擴大編碼量和提高檢測效率。在本論文中，我們對傳統(tǒng)的無皂乳液聚合進行改進，提出在沸騰狀態(tài)下實現(xiàn)聚合物微球的簡單、快速制備。

3、通過該方法，我們設(shè)計合成了一系列單分散納米微球，并以水凝膠為基片，開發(fā)出了一種新型的自組裝制備干燥型和濕潤型膠體晶體的方法。并以此方法制備出具有溫敏性的濕潤型膠體晶體，通過溫度調(diào)制實現(xiàn)可調(diào)制光子晶體的制備。除此之外，為進一步擴寬目前膠體晶體作為編碼載體在多元分析方面的應(yīng)用，我們制備了一系列不同形狀的膠體晶體，利用膠體晶體的反射光譜和水凝膠膜的形狀聯(lián)合編碼，進一步擴大膠體晶體載體的編碼量，提高光子晶體編碼載體的檢測范圍，進一步推動了以光子晶體作為編碼載體的多元分析技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程。本論文主要研究工作如下：1．采用

4、沸騰無皂乳液聚合法制備了一系列單分散納米微球：聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，并對用提拉方法自組裝制備光子晶體膜進行了改進。(1)改進了傳統(tǒng)無皂乳液聚合的方法，在保證微球質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)了聚合物微球的簡單、快速制備，并探討了單體濃度、引發(fā)劑濃度、反應(yīng)時間對微球粒徑及單分散性的影響。利用沸騰無皂乳液聚合法，制備了一系列不同粒徑的聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)納米微球，用于膠體晶體的構(gòu)筑。(2)采用液面下降法制備高質(zhì)量膠體晶體薄膜。通過用注射器從容器中抽取懸液的方法來控制液面下降的

5、速度，從而對制備所得膠體晶體的膜厚度進行調(diào)控。本方法中液面下降速度的可調(diào)節(jié)范圍比傳統(tǒng)方法中提拉速度的可調(diào)節(jié)范圍更寬而且設(shè)備簡單。東南大學(xué)博士學(xué)位論文2．在水凝膠表面自組裝納米微球制備濕潤型膠體晶體，并通過液體蒸發(fā)處理得到干燥型膠體晶體。通過垂直提拉浸在單分散微球懸液中的瓊脂糖凝膠基片，制備得到了濕潤型膠體晶體。在水凝膠表面的膠體晶體色澤明亮。利用該方法得到的濕潤型膠體晶體膜結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，不易受環(huán)境振動等因素的破壞。通過蒸發(fā)濕潤型膠體晶體膜和水凝膠中的液體可以控制單分散微球在膠體晶體中的堆積密度，并最終得到具有密

6、堆積結(jié)構(gòu)的干燥型膠體晶體膜。3．溫敏膠體晶體膜的制備及其光學(xué)特性研究。通過在溫敏水凝膠表面沉積膠體晶體，制備得到了濕潤型膠體晶體。利用溫敏水凝膠在溫度變化時水分的吸收和釋放，改變其表面地濕潤型膠體晶體中微球的體積分數(shù)，從而實現(xiàn)溫度對濕潤型膠體晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的調(diào)控。該方法提供了一種新的可調(diào)制光學(xué)器件的制備方法。4．膠體晶體編碼載體的制備及其應(yīng)用。利用易于制備不同光學(xué)特性和形狀的水凝膠膠體晶體，得到了同時具有光學(xué)和形狀編碼的生物分子編碼載體。制備時，首先自組裝分散在聚丙烯酰胺液態(tài)前聚體中的單分散微球，得到濕潤型

7、膠體晶體；再覆蓋模版，以紫外光照聚合制備得到不同形狀、不同顏色的水凝膠膠體晶體編碼載體。因此，膠體晶體編碼載體可以按膠體晶體的反射光譜和水凝膠膜的形狀進行聯(lián)合編碼，從而擴大了生物分子多元化檢測的編碼量和檢測效率。關(guān)鍵詞：水凝膠，光子晶體，膠體晶體，自組裝，溫度敏感，聯(lián)合編碼載體Ⅱ英文摘要FabricationandApplicationofSelf-AssemblyPhotonicCrystalsBasedonHydrogelAbstractPhotoniccrystalisakindofmaterialofw

8、hichthedielectricfunction(orrefractionindex)isperiodicallytuned．Becauseofthepropertyofphotonicbandgap，photoniccrystalsCanbewidelyusedinmanyfieldssuchasnewtypephotoelectrondeviceandbiosensing．Pho