基于结构导向纳米晶纤维素的光子晶体复合膜制备及其光学选择性识别的研究

摘要

光子晶体广泛存在于自然界生物体中，由于它们的周期有序结构而呈现着色现象。受到这种结构色启发，人们开发出了人工构造的光子晶体，并将其用于光学涂层，防伪标志和物理化学传感器设计。有序胶态阵列和向列液晶材料是常见的光子晶体组装体，相比而言，用向列液晶材料制备的光子晶体材料具有结构色均匀，制备过程简单的优势。纳米晶纤维素作为一种代表性的向列液晶材料，因其具有来源丰富，绿色环保的优点，现已被广泛应用于化学传感器设计。这些传感器可实现相关物质的光学识别，且识别过程较为便捷，识别效果易于观察，但是，基于结构导向纳米晶纤维素合成的化学识别传感器的选择性是有限的。 为此，本文将荧光技术引入纳米晶纤维素体系，合成具有光学选择性识别的光子晶体材料，并将其用于苯环类有机污染物的快速荧光识别。为了进一步提升光子晶体化学传感器的识别专一性，我将分子印迹技术引入纳米晶纤维素，合成出具有光学选择性肉眼识别磺胺类污染物的化学传感器。 其具体实验工作如下： （1）将铕的稀土配合物嫁接在结构导向纳米晶纤维素制备的手性向列介孔硅膜上，制备出兼具荧光和光子晶体性质的双元识别硅膜材料，它可以用于硝基苯的快速选择性荧光识别。表征结果显示：该膜材料是手性向列的介孔结构，比表面积为300 m2 g-1，孔径约为7.0 nm；荧光学分析显示，该介孔硅膜在586和612 nm处有强烈的荧光响应信号，可用于10μM硝基苯的检测，且荧光淬灭在5 min内达到平衡，淬灭率达50%，同时光子晶体荧光硅膜也能对硝基苯蒸汽进行快速荧光识别。 （2）将磺胺印迹的酚醛树脂和纳米晶纤维素共聚合，制备出手性向列的光子晶体材料，移除模板后，获得具有光学选择性识别磺胺的印迹膜材料。一系列表征显示：印迹复合膜呈现有序的层状多孔结构，且具有良好的亲水性，印迹膜的静态接触角为 63 ± 2.3°，可裁制的柔韧性和强双折射和指纹状的手性向列特征；可视化识别分析显示：随着磺胺分子浓度的增加，印迹膜的颜色从红色变为黄色，最大光转移波长为27.6 nm，同时光子晶体印迹膜可从抗菌药中可视化地选择性识别磺胺类药物。 （3）将磺胺甲恶唑印迹的苯酚-脲-甲醛树脂和结构导向的纳米晶纤维素结合，制备出光学复合膜材料，移除模板后得到比色传感器，它能够从水体中光学选择性的识别磺胺甲恶唑。结果表明：印迹介孔膜呈现手性向列的光子晶体结构，比表面积为254 m2 g-1，孔径为7 nm；光学识别分析显示，该膜材料被分析物触发的区域显示黄色光变，响应时间在30 min之内，随后膜的颜色不再发生改变。当用1.0 mg mL-1磺胺甲恶唑去浸没印迹膜时，紫外可见分光光度计记录下一个42 nm的红移波长。竞争性实验显示印迹膜对水体中的磺胺甲恶唑呈现良好的光学选择性识别能力。

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