發(fā)布時間：2020-05-02 21:16

【摘要】：響應性光子晶體(Responsive photonic crystals,RPCs)因具有無毒、無標記、低消耗和裸眼可視等優(yōu)點,在傳感、顯示、防偽、偽裝等方面有著廣泛的應用。目前已發(fā)展的pH-RPCs主要是基于在光子晶體結構中引入響應性凝膠組分所制備得到的膜或球狀塊體材料,響應性凝膠組分不僅可以固定光子晶體結構,還可以對外界刺激響應,依靠其自身體積的膨脹或收縮起到調控光子帶隙的作用。然而,這種光子晶體結構被固定的塊體pH-RPCs材料在制備、使用過程以及保存中會面臨著一些挑戰(zhàn):其制備過程相對復雜、耗時,光子晶體結構在組裝過程中易受溶劑、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構使得pH-RPCs存在響應時間長、靈敏度低、耐久性差、易發(fā)生不均勻膨脹或收縮等問題;由于以上這些RPCs不是特別優(yōu)異的響應性能以及含有較大的凝膠尺寸,使其在微區(qū)環(huán)境以及對高分子的檢測受限。針對以上問題,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,制備了對pH響應的Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)凝膠式核殼膠體納米粒子,以其為組裝基元構筑了對pH響應的磁響應性光子晶體傳感器,并探究了其pH響應性能;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性光子晶體的PAA比色傳感器,探究了PAA對其光學性能的影響。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,利用氫鍵誘導模板聚合法制備了Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)膠體粒子,微觀結構分析表明粒子的凝膠殼層厚度僅為幾個納米。(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筑了pH響應的光子晶體傳感器。光學性能測試結果表明傳感器具有高的靈敏度(?λp/?pH=329.22 nm/pH)和快速的響應時間(44.30 ms),且在pH為4.40-7.20范圍內的衍射光譜幾乎覆蓋整個可見光譜,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具有可逆組裝(可變形性)、較小的尺寸以及對外界pH響應的特點,因此可通過極其微小的環(huán)境(如狹窄的孔道)至指定區(qū)域實現(xiàn)分析物的檢測。(3)Fe_3O_4@PVP@responsive hydrogel核殼納米粒子的制備具有可設計性。這是因為氫鍵誘導的模板聚合法具有普適性。對于可直接與PVP分子形成氫鍵的響應性單體可遵循上述粒子的制備方法;而對于不能直接與PVP分子形成氫鍵的響應性單體(如NIPAM),則可通過引入“架橋分子”(如PAA分子鏈)間接將響應性單體富集到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性光子晶體在不同溶劑體系中對PAA的響應時間;探究了不同濃度的PAA(M.W3000)對分子刷式核殼納米粒子(Fe_3O_4@PVP)的影響,并分析了其作用機理。在定磁場下,隨著PAA濃度的增大(0-2000 mg?L~(-1)),衍射波長呈現(xiàn)先紅移后藍移的趨勢(可覆蓋整個可見光譜),當PAA濃度為40 mg?L~(-1)時,衍射波長達到最大值。(5)探究了磁場對不同PAA濃度作用下的Fe_3O_4@PVP膠體粒子的影響,通過磁場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,并利用磁場快速方便的區(qū)分了同一波長所對應的不同PAA濃度。(6)探究了由Fe_3O_4@PVP膠體納米粒子構筑的光子晶體傳感體系對PAA的選擇性。本文利用氫鍵誘導的模板聚合法制備了Fe_3O_4@PVP@poly(AA-co-HEMA)磁性膠體粒子,在定磁場下所構筑的光子晶體pH化學傳感器具有響應速度快、靈敏度高的特點,且可逆的磁控組裝特性使其能夠應用于微小環(huán)境的檢測;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的原理,發(fā)展了能夠對高分子類分析物PAA進行檢測的光子晶體化學比色傳感器。該光子晶體化學傳感器對分析物的濃度、分子量具有很好的識別性。
【圖文】：

第一章 緒 論應性光子晶體 響應性光子晶體簡介子晶體（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構[1, 2]。它能夠調制具有相應波長的電磁波[3]。光子帶隙范圍內的光子，則不能進入該晶體結構。當帶隙的范圍在內時，即可產生裸眼可視的結構色。與普通的顏料和色素相比，這有無毒、高亮度、高飽和度和永不褪色等突出的優(yōu)點[4, 5]。當外界環(huán)時，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]應性水凝膠的 pH-RPCs子組裝體/反蛋白石型直接、簡單的設計策略是用單分散、響應性膠體粒子結構[26]。外界刺激下 RPCs 衍射峰位或結構色的變化引起的 d 的改變，但響應性凝膠粒子的易變形性也重復穩(wěn)定性差。相對而言，，通過將非響應性膠體粒子性聚合物基體中獲得的 RPCs 具有更好的力學穩(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
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O734;TP212.2

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 汪彩琴;唐淑閣;劉輝;李亞;馬新華;李曉麗;袁寶明;劉楠;;光子晶體在環(huán)境污染物快速檢測方面的研究進展[J];環(huán)境化學;2018年01期

2 師凝潔;許多;王禾欣;王戰(zhàn)亮;鞏華榮;段兆云;路志剛;魏_e玉;宮玉彬;;光子晶體在真空電子器件中的應用[J];真空電子技術;2018年02期

3 宋艷秋;彭媛;高志賢;何厚羅;徐天依;王明林;;光子晶體在食品有害物檢測中的應用及展望[J];食品研究與開發(fā);2018年09期

4 ;理化所光子晶體電浸潤性研究取得新進展[J];河南化工;2017年01期

5 由愛梅;曹玉華;曹光群;;膠態(tài)磁組裝光子晶體及其離子強度響應[J];高等學�；瘜W學報;2017年03期

6 孟佳意;縣澤宇;李昕;張德權;;光子晶體纖維的制備及應用[J];材料導報;2017年05期

7 劉曉靜;孟祥東;梁禺;張斯淇;劉繼平;馬季;李宏;吳向堯;;一維變頻光子晶體的透射特性[J];吉林大學學報(理學版);2017年03期

8 ;理化所光子晶體電浸潤性研究取得新進展[J];功能材料信息;2017年01期

9 宋明麗;王小平;王麗軍;陳海將;廉吉慶;柯小龍;寧仁敏;;光子晶體制備及其應用研究進展[J];材料導報;2016年07期

10 楊坤;;正交光子晶體制備方法研究[J];科技展望;2015年11期

相關會議論文 前10條

1 王京霞;;碳點光子晶體制備及其性能研究[A];中國化學會2017全國高分子學術論文報告會摘要集——主題J：高分子組裝與超分子體系[C];2017年

2 李鎮(zhèn);伍瑞新;;鏈式磁性光子晶體單向波導調控特性研究[A];2016年全國軍事微波、太赫茲、電磁兼容技術學術會議論文集[C];2016年

3 唐開;陳可;馬會茹;官建國;;磁性光子晶體短鏈的制備、磁組裝特性與光學性能[A];中國化學會第30屆學術年會摘要集-第三十六分會：納米材料合成與組裝[C];2016年

4 孟凡姝;王京霞;江雷;;光子晶體微型結構激光器件制備研究進展[A];2016年全國高分子材料科學與工程研討會論文摘要集[C];2016年

5 陳婷;田宇;尹蘇娜;陳蘇;;單分散聚苯乙烯微球在溫度敏感型光子晶體材料中的應用[A];2015年全國高分子學術論文報告會論文摘要集——主題G 光電功能高分子[C];2015年

6 王京霞;宋延林;江雷;;光子晶體制備及應用中的特殊浸潤性[A];2014年全國高分子材料科學與工程研討會學術論文集（下冊）[C];2014年

7 李志遠;;光子晶體功能元件的理論研究和設計[A];第十一屆基礎光學與光物理討論會論文摘要集[C];2004年

8 馬博琴;王霆;盛艷;倪培根;程丙英;張道中;;二維準周期非線性光子晶體中的諧頻過程[A];第十一屆基礎光學與光物理討論會論文摘要集[C];2004年

9 顧本源;王雪華;王容洲;;不同耦合強度導致光子晶體中原子自發(fā)輻射行為的多樣性[A];第十屆全國基礎光學與光物理學術研討會和第十一屆激光物理討論會論文摘要集[C];2002年

10 伍瑞新;李鎮(zhèn);李清波;蒲殷;;應用磁性光子晶體鏈實現(xiàn)非互易的表面波和空間波傳播[A];第十七屆全國晶體生長與材料學術會議摘要集[C];2015年

相關重要報紙文章 前10條

1 蕭斌;超重智慧 材料人生[N];科學時報;2011年

2 ;我國光子晶體中原子自發(fā)輻射特性研究獲突破[N];中國高新技術產業(yè)導報;2006年

3 賈正根;光子晶體學俏然崛起[N];中國電子報;2001年

4 張孟軍;攀登光子晶體高峰的人[N];科技日報;2004年

5 楊健;中科院取得光子晶體理論創(chuàng)新[N];人民日報;2003年

6 清華大學材料科學與工程系 周濟;光子晶體：光信息時代的“半導體”[N];中國電子報;2005年

7 華凌;耐上千攝氏度高溫的光子晶體問世[N];科技日報;2012年

8 叢林;聚合物光子晶體研究取得進展[N];中國化工報;2011年

9 馮衛(wèi)東;加開發(fā)出新型光子晶體顯示技術[N];科技日報;2007年

10 劉霞;美制成兼具電學光學性質的光子晶體[N];科技日報;2011年

相關博士學位論文 前10條

1 羅巍;基于空間位阻效應的單分散超順磁性粒子及其響應性光子晶體[D];武漢理工大學;2017年

2 高澤文;響應型熒光聚合物光子晶體的構建及調控機理研究[D];北京化工大學;2018年

3 趙晨陽;基于光子晶體微腔的矢量光場產生及光學傳感研究[D];西北工業(yè)大學;2017年

4 姜宇馳;基于光子晶體的全光器件設計與研究[D];南京航空航天大學;2017年

5 嚴思琦;硅基光子晶體在微波光子學中的應用研究[D];華中科技大學;2018年

6 付繁繁;基于生物相容性光子晶體的細胞培養(yǎng)和藥物評估應用[D];東南大學;2018年

7 柴麗琴;基于ZrO_2反蛋白石光子晶體構建的紡織品仿生結構生色研究[D];浙江理工大學;2019年

8 蔣強;負折射光子晶體中的反常物理效應的機理及實驗研究[D];上海理工大學;2017年

9 張偉;金屬/電介質周期性微納光子功能結構的設計制備與應用研究[D];南京理工大學;2017年

10 英宇;新型磁流體光子晶體傳感理論和仿真研究[D];東北大學;2015年

相關碩士學位論文 前10條

1 夏徐偉;基于波導與微腔耦合的二維光子晶體折射率與溫度傳感研究[D];廈門大學;2017年

2 夏添;在超疏水基底上制備大面積無裂紋的光子晶體薄膜[D];廈門大學;2017年

3 陳可;基于磁響應性光子晶體的微型化學傳感器[D];武漢理工大學;2018年

4 談亞麗;自取向光子晶體球的制備及其性能研究[D];武漢理工大學;2018年

5 張穎慧;金納米簇及其光子晶體復合材料的制備與分析應用研究[D];天津大學;2018年

6 王慧君;高維非線性光子晶體中的二次諧波光場調控[D];南京大學;2019年

7 陳強;光子晶體的制備與新型納米光催化材料的研究[D];遼寧大學;2018年

8 王淳;蛋白石光子晶體的制備與Bi_2WO_6:Yb~(3+),Tm~(3+)光催化性能的研究[D];遼寧大學;2018年

9 劉冰冰;利用零折射率光子晶體和材料實現(xiàn)對電磁波的操控[D];蘇州大學;2018年

10 李夢;基于Fe_3O_4@C磁性復合納米粒子快速自組裝制備三維光子晶體及其應用研究[D];江南大學;2018年

本文編號：2647490