蛋白質(zhì)是生命活動得以進行的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。經(jīng)過長期的自然進化，多種多樣的蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能獨特而又千差萬別，且很多都難以被人工材料所模仿和替代。近年來，人們將各種蛋白質(zhì)（及衍生物）基生物材料與先進微納加工和集成技術(shù)有機結(jié)合，以蛋白質(zhì)（及衍生物）為重要、關(guān)鍵乃至核心材料，實現(xiàn)了各種新型功能化微納結(jié)構(gòu)、器件與集成系統(tǒng)——這已成為蛋白質(zhì)基生物材料的一個重要的最前沿研究方向、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢。尤其是，蛋白質(zhì)（及衍生物）在微納光/電（子）相關(guān)的多學科領(lǐng)域交叉性應(yīng)用方興未艾。但是，大部分微納加工成型技術(shù)在亞微米乃至納米精度真三維等能力上的不足或缺失，限制了蛋白質(zhì)（及衍生物）基生物材料在微納尺度應(yīng)用的進一步發(fā)展（尤其是三維光子器件與系統(tǒng)）。而另一方面，利用飛秒激光直寫技術(shù)，人們已經(jīng)成功的制備了各種器件構(gòu)型的高質(zhì)量二維和三維微納光子器件。但是，其中大多為基于合成聚合物等傳統(tǒng)人工材料，一般僅由各異的器件幾何結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)各種基本原型功能——這又很大程度上限制了飛秒激光直寫制備的微納光子器件的功能多樣化及其在傳感檢測、生物醫(yī)學等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。針對以上問題，在本文中，我們使用飛秒激光直寫方法，定制各種蛋白質(zhì)基功能化微納光/電器件。主要研究內(nèi)容包括： 一，飛秒激光直寫獲得蛋白質(zhì)基功能化微透鏡器件：1，蛋白質(zhì)基球面微透鏡和諧衍射連續(xù)浮雕微透鏡，實現(xiàn)其優(yōu)良的器件質(zhì)量、光學性能、生物兼容性，尤其是“智能”環(huán)境響應(yīng)（pH，離子濃度等）動態(tài)調(diào)焦能力；2，蛋白質(zhì)基相位衍射微透鏡，在其優(yōu)良的原型光學特性基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)了環(huán)境變化不敏感、可拉伸彎折的柔性、生物降解等特性。 二，蛋白質(zhì)基微納光波導(dǎo)器件的飛秒激光直寫定制和功能化：1，蛋白質(zhì)基單納米線光波導(dǎo)，測得其接近人體組織的光學透過窗口（約600納米附近）和光透過損耗，并且通過加工過程中共聚“探針蛋白”實現(xiàn)了特異性識別光傳感；2，靈活設(shè)計和制備了多種蛋白質(zhì)基功能化微納波導(dǎo)器件（如微型多模耦合干涉光功分器、Y型結(jié)微納光波導(dǎo)功分器）。 三，真三維蛋白質(zhì)基回音壁模式（WGM）微激光器：1，通過綜合優(yōu)化可光加工蛋白質(zhì)基有源原凝膠、加工參數(shù)、“共形”掃描方式，飛秒激光直寫制備了高質(zhì)量的蛋白質(zhì)基WGM三維微盤；2，無需退火后處理即實現(xiàn)了三維蛋白質(zhì)基WGM微激光器在空氣中乃至水相環(huán)境中的高性能、穩(wěn)定激射（水中品質(zhì)因子達~3300）；3，測試了器件激射譜中心峰位的環(huán)境（鹽濃度）響應(yīng)特性。 四，飛秒激光直寫定制以絲素蛋白為“核心材料模塊”的多樣化微納器件：1，實現(xiàn)了純絲素蛋白的多光子光刻，表征證明了所得二維和三維絲素蛋白微納結(jié)構(gòu)的遠高于其它蛋白質(zhì)微凝膠的機械強度（楊氏模量，空氣中為~2.2GPa，水相中為~0.22GPa）；2，飛秒激光誘導(dǎo)絲素蛋白交聯(lián)和金屬單質(zhì)還原裝載同步進行，獲得了絲素蛋白/銀、絲素蛋白/金復(fù)合微納結(jié)構(gòu)與器件，尤其是實現(xiàn)了絲素蛋白/銀復(fù)合微電導(dǎo)線的長期穩(wěn)定優(yōu)良導(dǎo)電性；3，“多維度”調(diào)控絲素蛋白/金屬復(fù)合微納結(jié)構(gòu)中的金屬單質(zhì)裝載量（預(yù)曝光還原裝載、pH值、溶液組分比例等）；4，ATR-FTIR表征證明各種以絲素蛋白為核心材料的微納結(jié)構(gòu)中，絲素蛋白發(fā)生β折疊結(jié)晶（高機械強度的原因），其熒光特性也得到表征；5，首次提出絲素蛋白飛秒激光直寫微納加工的可能機理。 綜上，在本文工作中，利用蛋白質(zhì)材基飛秒激光直寫技術(shù)，首先，獲得亞微米乃至納米級精度的各種高質(zhì)量二維和三維蛋白質(zhì)基微納光/電器件，較好的實現(xiàn)其原型功能，即以蛋白質(zhì)基材料作為人工合成聚合物的環(huán)境、生物兼容理想替代材料。然后，充分挖掘、利用蛋白質(zhì)本征性質(zhì)，賦予所制備器件新穎多樣的特性與功能。再進一步，在飛秒激光直寫加工過程的之前、其中和之后，運用共混復(fù)合、化學修飾、礦化還原裝載等方法，進行多樣的功能化，以得到具備各種“定制”功能的蛋白質(zhì)基微納光/電器件。于是，本文工作實現(xiàn)了在材料功能特性和器件幾何構(gòu)型上“雙重”任意設(shè)計和可控的飛秒激光直寫定制，而有助于推動其多樣化的應(yīng)用拓展。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

第一章 緒 論 的高能量密度光焦點內(nèi)與物質(zhì)發(fā)生的非線性作用，例如，多光子吸收引起料聚合、還原、相變、燒蝕、化學鍵斷裂等[71,72,73]。通過計算機控制飛秒激點在目標材料表面或內(nèi)部的二維和三維直寫掃描，完成微納精度的材料加工型。飛秒激光微納直寫技術(shù)在很多場合，也被稱為多光子光刻加工技術(shù)ultiphoton Lithography）。作為一種非線性光加工技術(shù)，它與傳統(tǒng)光刻技術(shù)相有諸多顯著的優(yōu)點[71,72,73]：

圖 1.2 飛秒激光（a）和皮秒激光（b）燒蝕鋼箔制備的微孔結(jié)構(gòu)[96]。2. 真三維、易集成加工、高可設(shè)計性與可控性飛秒激光直寫多采用波長位于很多材料透明窗口的可見紅區(qū)或近紅外波約 800nm），使激光無（低）損耗的聚焦到材料內(nèi)部并掃描直寫，從而具有的真三維加工成型能力。三維加工虛擬構(gòu)型由計算機輔助設(shè)計，并由計算機掃描直寫動作進行三維逐層加工構(gòu)建。于是，飛秒激光直寫加工技術(shù)具有高可設(shè)計性和可控性，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)環(huán)境（如微流控系統(tǒng)）中的集成加工能

圖 1.2 飛秒激光（a）和皮秒激光（b）燒蝕鋼箔制備的微孔結(jié)構(gòu)[96]。2. 真三維、易集成加工、高可設(shè)計性與可控性飛秒激光直寫多采用波長位于很多材料透明窗口的可見紅區(qū)或近紅外波約 800nm），使激光無（低）損耗的聚焦到材料內(nèi)部并掃描直寫，從而具有的真三維加工成型能力。三維加工虛擬構(gòu)型由計算機輔助設(shè)計，并由計算機掃描直寫動作進行三維逐層加工構(gòu)建。于是，飛秒激光直寫加工技術(shù)具有高可設(shè)計性和可控性，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)環(huán)境（如微流控系統(tǒng)）中的集成加工能

【參考文獻】

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本文編號：2830162