發(fā)布時間：2020-06-08 07:42

【摘要】：光子晶體是一種由不同介質周期性排列組成的具有光學禁帶特征的光學材料。由于光子晶體的光子禁帶具有可調節(jié)性的特點,其在防偽、顯色、綠色印刷、光催化、傳感器和檢測等領域有廣泛的應用。由實心微球組成的光子晶體對常規(guī)化合物的檢測已經(jīng)有大量報道,但是它們很難對折射率極其相近的化合物(如同系物和同分異構體)進行檢測分辨。本文首次以新穎的中空介孔二氧化硅微球自組裝成光子晶體,利用其擁有大比表面積、孔容積和眾多孔隙的特點,通過靜態(tài)光譜法、動態(tài)光譜法和雙禁移動法三種不同的方式成功實現(xiàn)對同系物和同分異構體的高精度檢測區(qū)分。首先通過采用工藝簡單的模板法制備單分散中空介孔二氧化硅微球,其中以聚苯乙烯微球為中空模板和陽離子表面活性劑為介孔模板。通過調控正硅酸乙酯量、反應溫度、反應時間和溶劑比例等工藝參數(shù)制備出粒徑均一、球形度高和內外徑可控的中空介孔二氧化硅微球。然后利用垂直沉積法制備出中空介孔二氧化硅光子晶體。與實心微球構成的光子晶體反射光譜中只存在一個反射峰相比,由中空介孔二氧化硅微球組裝成的光子晶體展示出兩個明顯的反射峰,分別為一級反射峰和二級反射峰,一級反射峰源于面心立方排列的光子晶體中(111)晶面作用的結果,而二級反射峰源于光子晶體中其他如(200)和(311)面等多個晶面共同作用的結果,此兩個反射峰的峰位大小與中空介孔二氧化硅微球的內外徑密切相關。當在中空介孔二氧化硅光子晶體中浸入10μL液態(tài)同系物或同分異構體時,一級反射峰根據(jù)被檢測物折射率不同發(fā)生明顯差異性的光子禁帶移動,移動范圍在60~200 nm之間,而二級反射峰幾乎不發(fā)生移動。由于中空介孔二氧化硅光子晶體提供了高的比表面積、孔容和吸附位點,引起整體有效折射率巨大差異變化,導致此光子晶體在檢測痕量液態(tài)同系物和同分異構體時展現(xiàn)出高的靈敏度和選擇性,如正丙醇和異丙醇的折射率僅相差0.008,光子禁帶移動大小分別為145和120 nm,差值高達25 nm。為了進一步提高中空介孔二氧化硅光子晶體對化合物的檢測精度,采用動態(tài)反射光譜法,通過記錄50μL化合物揮發(fā)到此光子晶體中的吸附和解吸過程所表現(xiàn)出的反射光譜隨著時間變化過程的顯著差異,實現(xiàn)了對微量氣態(tài)同系物和同分異構體的高精度檢測分辨。如正丁醇和異丁醇的折射率僅僅相差0.001,由動態(tài)反射光譜法所得到的正丁醇和異丁醇顏色填充等高線圖差異巨大,正丁醇的顏色填充等高線圖中吸附過程由6個顏色帶組成,而異丁醇則由5個顏色帶組成。正丁醇在最初的100 s內的光子晶體平均反射峰位移動速率比異丁醇慢,分別為14.2×10~(-2)和20.4×10~(-2) nm/s,在第二個100 s內它們的平均反射峰位移動速率也不同,分別為7.0×10~(-2)和8.3×10~(-2) nm/s。與靜態(tài)光譜法檢測只能依據(jù)光子晶體禁帶移動大小相比,動態(tài)光譜法可以從光子禁帶移動大小、顏色改變、吸附和解吸平衡時間、反射峰位移動速度及顏色帶的變化過程等多個參數(shù)的差異對氣態(tài)同系物和同分異構體進行高精度區(qū)分。當中空介孔二氧化硅光子晶體長時間暴露于微量氣態(tài)同系物和同分異構體氣氛中時,它的兩個反射峰都存在紅移,且一級反射峰比二級反射峰移動更大。例如,當此光子晶體分別暴露于氣態(tài)正丁醇和異丁醇環(huán)境中時,光子晶體的一級反射峰分別移動44.1和50.6 nm,二級反射峰分別移動21.9和22.9 nm,雙峰的移動大小表現(xiàn)出明顯的差異。不同于實心微球構成的光子晶體在檢測化合物時只有一個反射峰發(fā)生禁帶移動,可利用中空介孔二氧化硅光子晶體雙禁帶同時發(fā)生移動和雙禁帶移動大小不同對微量氣態(tài)同系物和同分異構體進行檢測分辨。本論文利用中空介孔二氧化硅光子晶體以靜態(tài)光譜法、動態(tài)光譜法和雙禁移動法三種不同的方式成功實現(xiàn)對醇系物、苯系物、乙醇胺類和氯化物四大類折射率極其相近化合物的高精度分辨,同時此三種檢測方式完全可逆,并且化合物檢測量僅需痕量或者微量�；谥锌战榭锥趸韫庾泳w優(yōu)異的檢測性能必將使得它在物質擴散、環(huán)境監(jiān)測、化學反應和生命醫(yī)學等領域有更廣闊的應用前景。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文蒸氣通過此光子晶體后，它能夠恢復到原始的狀態(tài)，晶格常數(shù)變大引起反射峰和顏色的顯著變化，他們研究了不同濃度的丙酮與峰位移動的關系，故可以利用 ETPTA/PEGDA 復合反蛋白石結構光子晶體對丙酮進行檢測[71]。傳統(tǒng)靜態(tài)光譜法是通過光子晶體的光譜最終偏移量的不同實現(xiàn)對不同物質的檢測，但華東師范大學葛建平課題組通過用二氧化硅納米微球、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGMA）和乙二醇（EG）混合做成光子晶體凝膠，當有機溶劑滴到凝膠表面時，每隔 2 s 收集此光子晶體凝膠的動態(tài)反射光譜（DynamicReflection Spectrum，DRS），由于不同化合物的液體在凝膠中滲透速度的不同，從而導致光子晶體有效折射率的改變過程不同，進而使得它們顏色填充等高線圖中的光譜變化過程明顯不同，如圖 1-5 所示，從而實現(xiàn)了 DRS 法對有機溶劑的檢測[10]。此法在一定程度上改變了光子晶體傳統(tǒng)靜態(tài)光譜法檢測方式，能夠區(qū)分禁帶偏移量相差不大的物質，但是此法收集的數(shù)據(jù)太多，耗費時間較長，在純凈的二氧化硅光子晶體中額外加入的凝膠也會成為光譜效果的影響因素，同時使得制備過程復雜，并且它不能檢測能與凝膠發(fā)生反應的化合物。

第 1 章 緒 論ntelligent polymerized crystalline colloidal array，，的肌酸酐進行痕量檢測，此陣列在生理鹽水中。如圖1-6所示，當肌酸酐滲透進入IPCCA時，苯酚產(chǎn)生OH-，OH-會使得陣列膨脹致使晶格常移動和顏色變化，同時該陣列經(jīng)過水洗以后會用，非常環(huán)保。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O734;O613.72;O652

【參考文獻】

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3 顧文娟;廖俊;吳衛(wèi)兵;易生平;黃馳;黎厚斌;;中空二氧化硅微球的制備方法研究進展[J];有機硅材料;2009年04期

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本文編號：2702759