【摘要】：響應(yīng)性光子晶體(Responsive photonic crystals,RPCs)因具有無(wú)毒、無(wú)標(biāo)記、低消耗和裸眼可視等優(yōu)點(diǎn),在傳感、顯示、防偽、偽裝等方面有著廣泛的應(yīng)用。目前已發(fā)展的pH-RPCs主要是基于在光子晶體結(jié)構(gòu)中引入響應(yīng)性凝膠組分所制備得到的膜或球狀塊體材料,響應(yīng)性凝膠組分不僅可以固定光子晶體結(jié)構(gòu),還可以對(duì)外界刺激響應(yīng),依靠其自身體積的膨脹或收縮起到調(diào)控光子帶隙的作用。然而,這種光子晶體結(jié)構(gòu)被固定的塊體pH-RPCs材料在制備、使用過(guò)程以及保存中會(huì)面臨著一些挑戰(zhàn):其制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜、耗時(shí),光子晶體結(jié)構(gòu)在組裝過(guò)程中易受溶劑、單體種類、pH值等的干擾;塊體的凝膠材料以及固定的光子晶體結(jié)構(gòu)使得pH-RPCs存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、靈敏度低、耐久性差、易發(fā)生不均勻膨脹或收縮等問(wèn)題;由于以上這些RPCs不是特別優(yōu)異的響應(yīng)性能以及含有較大的凝膠尺寸,使其在微區(qū)環(huán)境以及對(duì)高分子的檢測(cè)受限。針對(duì)以上問(wèn)題,本文借助Fe_3O_4@PVP膠體納米粒子的殼層PVP分子能與單體之間發(fā)生作用的特點(diǎn),制備了對(duì)pH響應(yīng)的Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)凝膠式核殼膠體納米粒子,以其為組裝基元構(gòu)筑了對(duì)pH響應(yīng)的磁響應(yīng)性光子晶體傳感器,并探究了其pH響應(yīng)性能;利用PVP與高分子PAA間的氫鍵物理交聯(lián)作用,發(fā)展了基于空間位阻型的磁響應(yīng)性光子晶體的PAA比色傳感器,探究了PAA對(duì)其光學(xué)性能的影響。論文的主要研究工作如下:(1)以單分散超順磁Fe_3O_4@PVP膠體粒子為模板,利用氫鍵誘導(dǎo)模板聚合法制備了Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)膠體粒子,微觀結(jié)構(gòu)分析表明粒子的凝膠殼層厚度僅為幾個(gè)納米。(2)以Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)凝膠式核殼膠體納米粒子作為組裝基元構(gòu)筑了pH響應(yīng)的光子晶體傳感器。光學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明傳感器具有高的靈敏度(?λp/?pH=329.22 nm/pH)和快速的響應(yīng)時(shí)間(44.30 ms),且在pH為4.40-7.20范圍內(nèi)的衍射光譜幾乎覆蓋整個(gè)可見光譜,表現(xiàn)出優(yōu)異的比色性能;此外,所制備的凝膠式核殼膠體納米粒子由于同時(shí)具有可逆組裝(可變形性)、較小的尺寸以及對(duì)外界pH響應(yīng)的特點(diǎn),因此可通過(guò)極其微小的環(huán)境(如狹窄的孔道)至指定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)分析物的檢測(cè)。(3)Fe_3O_4@PVP@responsive hydrogel核殼納米粒子的制備具有可設(shè)計(jì)性。這是因?yàn)闅滏I誘導(dǎo)的模板聚合法具有普適性。對(duì)于可直接與PVP分子形成氫鍵的響應(yīng)性單體可遵循上述粒子的制備方法;而對(duì)于不能直接與PVP分子形成氫鍵的響應(yīng)性單體(如NIPAM),則可通過(guò)引入“架橋分子”(如PAA分子鏈)間接將響應(yīng)性單體富集到Fe_3O_4@PVP粒子周圍并引發(fā)聚合的方式制備獲得。(4)探究了基于由分子刷式Fe_3O_4@PVP膠體納米粒子組裝的磁響應(yīng)性光子晶體在不同溶劑體系中對(duì)PAA的響應(yīng)時(shí)間;探究了不同濃度的PAA(M.W3000)對(duì)分子刷式核殼納米粒子(Fe_3O_4@PVP)的影響,并分析了其作用機(jī)理。在定磁場(chǎng)下,隨著PAA濃度的增大(0-2000 mg?L~(-1)),衍射波長(zhǎng)呈現(xiàn)先紅移后藍(lán)移的趨勢(shì)(可覆蓋整個(gè)可見光譜),當(dāng)PAA濃度為40 mg?L~(-1)時(shí),衍射波長(zhǎng)達(dá)到最大值。(5)探究了磁場(chǎng)對(duì)不同PAA濃度作用下的Fe_3O_4@PVP膠體粒子的影響,通過(guò)磁場(chǎng)可以很好的證明不同PAA濃度作用后的Fe_3O_4@PVP核殼膠體粒子殼層的可壓縮能力,并利用磁場(chǎng)快速方便的區(qū)分了同一波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的不同PAA濃度。(6)探究了由Fe_3O_4@PVP膠體納米粒子構(gòu)筑的光子晶體傳感體系對(duì)PAA的選擇性。本文利用氫鍵誘導(dǎo)的模板聚合法制備了Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)磁性膠體粒子,在定磁場(chǎng)下所構(gòu)筑的光子晶體pH化學(xué)傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點(diǎn),且可逆的磁控組裝特性使其能夠應(yīng)用于微小環(huán)境的檢測(cè);利用Fe_3O_4@PVP表面分子刷與分析物間氫鍵鍵合從而引起光子帶隙移動(dòng)的原理,發(fā)展了能夠?qū)Ω叻肿宇惙治鑫颬AA進(jìn)行檢測(cè)的光子晶體化學(xué)比色傳感器。該光子晶體化學(xué)傳感器對(duì)分析物的濃度、分子量具有很好的識(shí)別性。
【圖文】：

第一章 緒 論應(yīng)性光子晶體 響應(yīng)性光子晶體簡(jiǎn)介子晶體（Photonic crystals, PCs）又稱光子禁帶材料，是由不同折射率周期性排列而成的結(jié)構(gòu)[1, 2]。它能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長(zhǎng)的電磁波[3]。光子帶隙范圍內(nèi)的光子，則不能進(jìn)入該晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)帶隙的范圍在內(nèi)時(shí)，即可產(chǎn)生裸眼可視的結(jié)構(gòu)色。與普通的顏料和色素相比，這有無(wú)毒、高亮度、高飽和度和永不褪色等突出的優(yōu)點(diǎn)[4, 5]。當(dāng)外界環(huán)時(shí)，自然界中的許多生物（如昆蟲、鳥類、海洋生物等）依靠自身的可逆變化實(shí)現(xiàn)通信、偽裝或警告敵人[6-8]，如圖 1-1。

圖 1-2 3D RPCs 中的可調(diào)參數(shù)的原理圖[9]e 1-2 Schematic illustration of the parameters that can be a 3D RPC structure[9]應(yīng)性水凝膠的 pH-RPCs子組裝體/反蛋白石型直接、簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)策略是用單分散、響應(yīng)性膠體粒子結(jié)構(gòu)[26]。外界刺激下 RPCs 衍射峰位或結(jié)構(gòu)色的變化引起的 d 的改變，但響應(yīng)性凝膠粒子的易變形性也重復(fù)穩(wěn)定性差。相對(duì)而言，，通過(guò)將非響應(yīng)性膠體粒子性聚合物基體中獲得的 RPCs 具有更好的力學(xué)穩(wěn)定性體晶體陣列（Polymerized crystalline colloidal array, P單體在 CCA（Crystalline colloidal array）周圍引發(fā)聚
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O734;TP212.2

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本文編號(hào)：2647490