基于微流控芯片制备环境响应型光子晶体球的研究

摘要

光子晶体是一种介电常数不同的材料呈周期性排列形成的有序结构，具有光子带隙特性。光子晶体对光传播的调控与半导体材料对电子的影响类似。由于其具备许多普通材料不具备的性质，光子晶体在集成光学、微波通信、电子技术等领域具有潜在的应用价值。近年来，光子晶体传感器已引起广泛的关注，光子晶体传感器对外界刺激的响应快速灵敏，响应的变化可以通过光谱仪器检测或直接裸眼可读，使其有望应用于可视传感领域。
　　本论文中首先采用改进的溶胶种子法制备出尺寸可控的单分散二氧化硅颗粒。单分散且尺寸可控的SiO2颗粒的成功制备是制备带隙可调的光子晶体材料的基础。文中通过调节氨水、正硅酸乙酯（TEOS）以及反应体系的温度来控制粒径尺寸和单分散性。随着TEOS浓度和氨水用量增加，颗粒粒径逐渐增大，且增大趋势渐缓；随着反应温度的增加，颗粒的粒径明显变小，单分散性变好。将不同粒径的SiO2胶体微球配置成10％w/v的水乳液，采用横向沉积法制备出SiO2光子晶体膜，其结构色各不相同，随着SiO2粒径增大，光子晶体膜的光子带隙红移。同时，还采用了乳液聚合的方法，制备了尺寸为260nm单分散聚苯乙烯（PS）微球，形成的光子晶体膜具有鲜艳的颜色。
　　为制备出光子晶体球，本论文以微流控芯片制备出的尺寸可控的液滴为模板，通过液滴中水分挥发、纳米粒子自组装得到光子晶体球。通过调节微流控芯片中油相和水相的流速，精确控制液滴尺寸。探讨了油相和水相的流速对液滴尺寸的影响。结果表明，在一定范围内，随着油相流速增加，液滴尺寸变小；随着水相流速增加，液滴尺寸变大。考察了水相中乳液浓度以及液滴固化的加热方式等对光子晶体球尺寸、结构和特性的影响。结果表明，光子晶体球因其球形结构，具有各向同性的光子带隙和结构色。
　　为制备出响应快速灵敏的pH传感器，本论文以光子晶体球为模版，渗透丙烯酸（AA）基凝胶溶液，经过紫外引发固化后用HF酸进行模板刻蚀制备了反蛋白石结构pH响应型水凝胶小球。由于凝胶小球尺寸小且内部为有序的大孔网络，因此小球对pH值变化敏感。随着缓冲液pH值升高，小球逐渐膨胀，其光子带隙红移。凝胶溶液的组分影响水凝胶小球的pH响应性。当AA和水的含量分别为3wt%，31wt%时，水凝胶小球的响应范围较大，响应速度快；在pH5-6变化时，可在30s内达到响应平衡。此外，以聚异丙基丙烯酰胺-丙烯酸（PNIPAm-AA）作为凝胶溶液时，制备出pH和温度双重响应型反蛋白石结构水凝胶小球。当温度高于其相转变温度后，小球体积明显收缩，晶格尺寸变小；随着pH值的变化，小球的结构色也有一定的变化。
　　随着传感器的发展，人们对检测结果的要求也越来越高，快速稳定高灵敏的检测手段成为研究的热点。本文中制备的响应型水凝胶小球不仅对外界刺激响应灵敏，还具有良好的机械性能。多次重复实验后，该小球依然能够快速响应环境变化。水凝胶小球具有与光子晶体球一样的各向同性光子带隙和结构色，随着外界刺激变化，其结构色会发生明显改变。这种直接肉眼可见的响应特性，使得该反蛋白石水凝胶小球有望应用于先进光学传感仪器等领域。

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第一章 绪论

1.1 光子晶体的特性

1.2 光子晶体在传感器方面的应用

1.3 光子晶体的制备

1.4 微流控技术制备光子晶体研究进展

1.5 小结

1.6 本论文的主要研究内容

1.7 本论文的创新点及意义

第二章 SiO2纳米微球粒径控制及光子晶体制备

2.1 引言

2.2 实验试剂及实验设备

2.3 实验方法

2.4 样品表征

2.5 结果与讨论

2.6 本章小结

第三章 基于微流控芯片制备光子晶体球

3.1 引言

3.2 实验试剂与仪器

3.3 实验方法

3.4 样品表征

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 响应型反蛋白石结构水凝胶光子晶体球

4.1 引言

4.2 实验试剂和设备

4.3 实验方法

4.4 仪器表征

4.5 结果与讨论

4.6 温度-pH双重响应型反蛋白石结构水凝胶光子晶体球

4.7 本章小结

第五章 结论

参考文献

科研成果

致谢