本文關(guān)鍵詞：有機氣體敏感的光子晶體薄膜可視化傳感器

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【摘要】：揮發(fā)性有機化合物(VOCs)對皮膚、呼吸道粘膜、眼結(jié)膜等具有強烈的刺激作用,會對人體多個臟器造成損害,甚至具有致癌作用,嚴(yán)重影響人體健康。因此,高效檢測大氣、土壤、水質(zhì)中的易揮發(fā)有機污染物對于人類健康和環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。本論文利用光子晶體具有光子禁帶的特性,設(shè)計制備了功能分子填充的SiO_2反蛋白石光子晶體薄膜傳感器。通過把功能分子與有機氣體之間可逆的化學(xué)/物理作用和反蛋白石光子晶體三維大孔結(jié)構(gòu)高比表面積特性相結(jié)合,可逆調(diào)控光子晶體傳感器的平均折射率,從而實現(xiàn)光子禁帶的可逆變化,表現(xiàn)為反射光譜的可逆移動。選擇光子禁帶合適的光子晶體,使所制傳感器在被檢測氣體氛圍中反射光譜在可見光范圍內(nèi)移動,薄膜的顏色發(fā)生變化,可被肉眼觀察,從而實現(xiàn)對目標(biāo)分子的可視化檢測,最終制備得到有機氣體敏感的光子晶體薄膜可視化傳感器。具體內(nèi)容如下:1.通過犧牲模板法制備了SiO_2反蛋白石光子晶體,在其縫隙中填充六苯基硅基化合物(HPS),得到對乙醚/石油醚氣體敏感的光子晶體薄膜傳感器。所制傳感器交替暴露在不同的氣體環(huán)境中顏色發(fā)生可逆變化。在乙醚或石油醚蒸氣中,傳感薄膜的反射光譜紅移超過100 nm,同時顏色從綠色變?yōu)榧t色;之后暴露在空氣中,反射光譜藍(lán)移,顏色返回綠色。這是因為當(dāng)HPS交替暴露在空氣和乙醚/石油醚氣體中時發(fā)生晶態(tài)和無定型態(tài)兩種不同聚集態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)變。晶體HPS在有機氣體中轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型態(tài),折射率和比表面積同時增大,其較高的比表面積更有利于吸附有機氣體,二者協(xié)同作用下增大了傳感薄膜的平均折射率,導(dǎo)致光子禁帶紅移,顏色發(fā)生變化。由于可逆的聚集態(tài)轉(zhuǎn)變及有機氣體的吸附-脫附,傳感薄膜的平均折射率可逆變化,所以光子禁帶可逆移動,顏色可逆變化。薄膜顏色的明顯變化實現(xiàn)了有機氣體的可視化檢測,為揮發(fā)性有機化合物的檢測提供了簡便方法,在制備化學(xué)及生物傳感器方面具有重要的意義。2.制備了四氫呋喃/丙酮氣體敏感的聚四苯基乙烯衍生物(TPEP)填充的SiO_2反蛋白石光子晶體薄膜傳感器,可通過其顏色改變可視化檢測這兩種氣體。當(dāng)傳感薄膜置于有機氣體氛圍中,光子禁帶紅移50 nm,同時薄膜顏色由紫色轉(zhuǎn)變?yōu)榍嗌?當(dāng)置于空氣中時,禁帶藍(lán)移,顏色變回紫色。這是由于在反蛋白石三維大孔結(jié)構(gòu)高比表面積特性及TPEP對四氫呋喃和丙酮具有較強吸附性能的共同作用下,當(dāng)傳感膜交替置于有機氣體和空氣氛圍中時發(fā)生可逆的吸附-脫附。根據(jù)布拉格定律,吸附有機氣體后傳感薄膜的平均折射率增大,光子禁帶紅移,薄膜顏色改變。有機氣體可逆的吸附-脫附過程能夠可逆改變傳感薄膜的平均折射率,使其光子禁帶可逆移動,顏色可逆變化,這為制備可視化傳感器提供了一種通用的方法。3.在SiO_2反蛋白光子晶體孔隙中填充功能聚合物聚烯丙胺(PAH),制備得到對揮發(fā)性醛(包括甲醛、乙醛、丙醛、丁醛及戊醛)敏感的可視化傳感器。當(dāng)傳感薄膜置于醛氣體中時,光子禁帶紅移超過100 nm,從初始的紫色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S綠色,這是由于SiO_2反蛋白石三維大孔結(jié)構(gòu)有利于氣體擴(kuò)散及在孔壁的吸附,使PAH的氨基與醛基發(fā)生親核加成反應(yīng),同時部分氣體在孔壁冷凝,導(dǎo)致薄膜的平均折射率增大;而當(dāng)傳感薄膜再次置于空氣中,由于氨基與醛基的反應(yīng)可逆,同時吸附的氣體發(fā)生脫附,薄膜的平均折射率減小,光子禁帶藍(lán)移,薄膜恢復(fù)至紫色。所制傳感器實現(xiàn)了對揮發(fā)性醛的可視化檢測,且可重復(fù)使用,這為制備新型氣體傳感器提供了思路。
【關(guān)鍵詞】：光子晶體 光子禁帶 有機氣體 化學(xué)傳感 可視化檢測
【學(xué)位授予單位】：延安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.2;TP212
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 光子晶體簡介11-12
• 1.2 光子晶體的制備12-14
• 1.2.1 Opal光子晶體的制備12
• 1.2.2 反opal光子晶體的制備12-14
• 1.3 光子晶體在化學(xué)傳感方面的應(yīng)用14-18
• 1.3.1 金屬離子光子晶體傳感器14
• 1.3.2 有機溶劑光子晶體傳感器14-15
• 1.3.3 氣體敏感的光子晶體傳感器15-18
• 1.4 本論文的研究目的與主要內(nèi)容18-21
• 第二章 乙醚/石油醚敏感的HPS-SiO_2反蛋白石光子晶體薄膜傳感器21-34
• 2.1 引言21-22
• 2.2 實驗部分22-24
• 2.2.1 實驗試劑22
• 2.2.2 實驗儀器22
• 2.2.3 (P(St-AA))單分散乳膠微球的制備22-23
• 2.2.4 HPS-SiO_2IOPC的制備23
• 2.2.5 響應(yīng)性測試23-24
• 2.3 結(jié)果與討論24-32
• 2.3.1 光子晶體的形貌表征24-25
• 2.3.2 光子晶體的反射光譜表征25-26
• 2.3.3 HPS-SiO_2IOPC的氣體傳感性能26-29
• 2.3.4 HPS-SiO_2IOPC檢測乙醚/石油醚29-32
• 2.4 本章小結(jié)32-34
• 第三章 四氫呋喃/丙酮敏感的TPEP-SiO_2反蛋白石光子晶體薄膜傳感器34-46
• 3.1 引言34-35
• 3.2 實驗部分35-37
• 3.2.1 實驗試劑35
• 3.2.2 實驗儀器35-36
• 3.2.3 (P(St-AA))單分散乳膠微球的制備36
• 3.2.4 TPEP-SiO_2IOPC的制備36
• 3.2.5 響應(yīng)性測試36-37
• 3.3 結(jié)果與討論37-45
• 3.3.1 檢測機理37
• 3.3.2 光子晶體的形貌表征37-39
• 3.3.3 光子晶體的光學(xué)性質(zhì)表征39
• 3.3.4 TPEP -SiO_2IOPC的氣體傳感性能39-45
• 3.4 本章小結(jié)45-46
• 第四章 揮發(fā)性醛敏感的PAH-SiO_2反蛋白石光子晶體薄膜傳感器46-56
• 4.1 引言46-47
• 4.2 實驗部分47-48
• 4.2.1 實驗試劑47
• 4.2.2 實驗儀器47
• 4.2.3 (P(St-AA))單分散乳膠微球的制備47
• 4.2.4 PAH-SiO_2IOPC的制備47-48
• 4.2.5 響應(yīng)性測試48
• 4.3 結(jié)果與討論48-55
• 4.3.1 檢測機理48-49
• 4.3.2 光子晶體的形貌表征49-50
• 4.3.3 光子晶體的光學(xué)性質(zhì)表征50
• 4.3.4 PAH-SiO_2IOPC的氣體傳感性能50
• 4.3.5 PAH-SiO_2IOPC檢測揮發(fā)醛50-55
• 4.4 本章小結(jié)55-56
• 結(jié)論56-58
• 參考文獻(xiàn)58-65
• 致謝65-66
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果66

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本文編號：565075