本文關(guān)鍵詞：基于微流控芯片制備環(huán)境響應(yīng)型光子晶體球的研究

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【摘要】：光子晶體是一種介電常數(shù)不同的材料呈周期性排列形成的有序結(jié)構(gòu),具有光子帶隙特性。光子晶體對光傳播的調(diào)控與半導(dǎo)體材料對電子的影響類似。由于其具備許多普通材料不具備的性質(zhì),光子晶體在集成光學(xué)、微波通信、電子技術(shù)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。近年來,光子晶體傳感器已引起廣泛的關(guān)注,光子晶體傳感器對外界刺激的響應(yīng)快速靈敏,響應(yīng)的變化可以通過光譜儀器檢測或直接裸眼可讀,使其有望應(yīng)用于可視傳感領(lǐng)域。本論文中首先采用改進(jìn)的溶膠種子法制備出尺寸可控的單分散二氧化硅顆粒。單分散且尺寸可控的SiO2顆粒的成功制備是制備帶隙可調(diào)的光子晶體材料的基礎(chǔ)。文中通過調(diào)節(jié)氨水、正硅酸乙酯(TEOS)以及反應(yīng)體系的溫度來控制粒徑尺寸和單分散性。隨著TEOS濃度和氨水用量增加,顆粒粒徑逐漸增大,且增大趨勢漸緩;隨著反應(yīng)溫度的增加,顆粒的粒徑明顯變小,單分散性變好。將不同粒徑的SiO2膠體微球配置成10%w/v的水乳液,采用橫向沉積法制備出Si O2光子晶體膜,其結(jié)構(gòu)色各不相同,隨著SiO2粒徑增大,光子晶體膜的光子帶隙紅移。同時,還采用了乳液聚合的方法,制備了尺寸為260 nm單分散聚苯乙烯(PS)微球,形成的光子晶體膜具有鮮艷的顏色。為制備出光子晶體球,本論文以微流控芯片制備出的尺寸可控的液滴為模板,通過液滴中水分揮發(fā)、納米粒子自組裝得到光子晶體球。通過調(diào)節(jié)微流控芯片中油相和水相的流速,精確控制液滴尺寸。探討了油相和水相的流速對液滴尺寸的影響。結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi),隨著油相流速增加,液滴尺寸變小;隨著水相流速增加,液滴尺寸變大�？疾炝怂嘀腥橐簼舛纫约耙旱喂袒募訜岱绞降葘庾泳w球尺寸、結(jié)構(gòu)和特性的影響。結(jié)果表明,光子晶體球因其球形結(jié)構(gòu),具有各向同性的光子帶隙和結(jié)構(gòu)色。為制備出響應(yīng)快速靈敏的pH傳感器,本論文以光子晶體球為模版,滲透丙烯酸(AA)基凝膠溶液,經(jīng)過紫外引發(fā)固化后用HF酸進(jìn)行模板刻蝕制備了反蛋白石結(jié)構(gòu)p H響應(yīng)型水凝膠小球。由于凝膠小球尺寸小且內(nèi)部為有序的大孔網(wǎng)絡(luò),因此小球?qū) H值變化敏感。隨著緩沖液pH值升高,小球逐漸膨脹,其光子帶隙紅移。凝膠溶液的組分影響水凝膠小球的pH響應(yīng)性。當(dāng)AA和水的含量分別為3wt%,31wt%時,水凝膠小球的響應(yīng)范圍較大,響應(yīng)速度快;在p H 5-6變化時,可在30 s內(nèi)達(dá)到響應(yīng)平衡。此外,以聚異丙基丙烯酰胺-丙烯酸(PNIPAm-AA)作為凝膠溶液時,制備出pH和溫度雙重響應(yīng)型反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠小球。當(dāng)溫度高于其相轉(zhuǎn)變溫度后,小球體積明顯收縮,晶格尺寸變小;隨著p H值的變化,小球的結(jié)構(gòu)色也有一定的變化。隨著傳感器的發(fā)展,人們對檢測結(jié)果的要求也越來越高,快速穩(wěn)定高靈敏的檢測手段成為研究的熱點。本文中制備的響應(yīng)型水凝膠小球不僅對外界刺激響應(yīng)靈敏,還具有良好的機(jī)械性能。多次重復(fù)實驗后,該小球依然能夠快速響應(yīng)環(huán)境變化。水凝膠小球具有與光子晶體球一樣的各向同性光子帶隙和結(jié)構(gòu)色,隨著外界刺激變化,其結(jié)構(gòu)色會發(fā)生明顯改變。這種直接肉眼可見的響應(yīng)特性,使得該反蛋白石水凝膠小球有望應(yīng)用于先進(jìn)光學(xué)傳感儀器等領(lǐng)域。
【關(guān)鍵詞】：光子晶體 微流控芯片 反蛋白石結(jié)構(gòu) 響應(yīng)型水凝膠 pH傳感器
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O734
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 光子晶體的特性13-14
• 1.2 光子晶體在傳感器方面的應(yīng)用14-15
• 1.3 光子晶體的制備15-17
• 1.3.1 自組裝法15-16
• 1.3.2 模板法16-17
• 1.4 微流控技術(shù)制備光子晶體研究進(jìn)展17-24
• 1.4.1 微流控芯片制備18
• 1.4.2 微液滴技術(shù)18-19
• 1.4.3 微流控技術(shù)制備光子晶體球19-22
• 1.4.4 光子晶體凝膠傳感器22-24
• 1.5 小結(jié)24-25
• 1.6 本論文的主要研究內(nèi)容25
• 1.7 本論文的創(chuàng)新點及意義25-26
• 第二章 SiO_2納米微球粒徑控制及光子晶體制備26-39
• 2.1 引言26-27
• 2.2 實驗試劑及實驗設(shè)備27-28
• 2.2.1 實驗試劑27
• 2.2.2 實驗儀器27-28
• 2.3 實驗方法28-29
• 2.3.1 單分散SiO_2膠體微球的制備28
• 2.3.2 單分散PS膠體微球的制備28-29
• 2.3.3 光子晶體膜制備29
• 2.4 樣品表征29-30
• 2.4.1 微球粒徑測試29-30
• 2.4.2 表面形貌表征30
• 2.4.3 反射光譜測試30
• 2.5 結(jié)果與討論30-38
• 2.5.1 SiO_2膠體微球粒徑控制30-32
• 2.5.2 光子晶體膜制備32-38
• 2.6 本章小結(jié)38-39
• 第三章 基于微流控芯片制備光子晶體球39-51
• 3.1 引言39
• 3.2 實驗試劑與儀器39-40
• 3.2.1 實驗試劑39-40
• 3.2.2 實驗儀器40
• 3.3 實驗方法40-43
• 3.3.1 玻璃微流控芯片的制備40-42
• 3.3.2 光子晶體球的制備42-43
• 3.4 樣品表征43-44
• 3.4.1 尺寸表征43-44
• 3.4.2 光子晶體球結(jié)構(gòu)色表征44
• 3.4.3 反射光譜表征44
• 3.4.4 形貌表征44
• 3.5 結(jié)果與討論44-50
• 3.5.1 油相水相流速對液滴尺寸影響44-46
• 3.5.2 液滴固化成光子晶體球46-48
• 3.5.3 光子晶體球的光學(xué)特性48-50
• 3.6 本章小結(jié)50-51
• 第四章 響應(yīng)型反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠光子晶體球51-66
• 4.1 引言51-52
• 4.2 實驗試劑和設(shè)備52-53
• 4.2.1 實驗試劑52
• 4.2.2 實驗設(shè)備52-53
• 4.3 實驗方法53-54
• 4.3.1 配制凝膠預(yù)聚液53
• 4.3.2 pH響應(yīng)型傳感器制備53-54
• 4.3.3 溫度和pH雙重響應(yīng)型傳感器制備54
• 4.4 儀器表征54
• 4.5 結(jié)果與討論54-62
• 4.5.1 pH響應(yīng)型水凝膠光子晶體膜54-55
• 4.5.2 pH響應(yīng)型水凝膠光子晶體小球特性的影響因素55-57
• 4.5.3 凝膠組分中丙烯酸含量對小球特性的影響57-62
• 4.6 溫度-pH雙重響應(yīng)型反蛋白石結(jié)構(gòu)水凝膠光子晶體球62-64
• 4.7 本章小結(jié)64-66
• 第五章 結(jié)論66-68
• 參考文獻(xiàn)68-76
• 科研成果76-78
• 致謝78

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1119493