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含磺酸基凝胶光子晶体在分析中的应用

张勇勇  
【摘要】:光子晶体(Photonic Crystal)是由两种以上具有不同介电常数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料。近年来,利用胶体晶体自组装性质与水凝胶的传统应用相结合制成的凝胶光子晶体在药物释放、金属探针、生物传感器等新应用方面的研究蓬勃发展,在新材料开发及临床应用等方面取得巨大进展。 本论文先采用垂直沉积自组装得到胶体晶体模板,然后采用毛细力渗透法填充模板,制备了两种含有2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)的凝胶光子晶体,并进一步研究了此蛋白石结构的凝胶光子晶体的结构颜色及布拉格衍射峰对外界环境的响应性。主要研究内容包括以下三个部分: 第一部分,系统地总结和考察了二氧化硅和聚苯乙烯微球的合成方法、路线、和反应条件,确立了适用于本实验室的单分散二氧化硅和聚苯乙烯微球的制备方法,得到了高圆度、窄粒径分布的单分散二氧化硅和聚苯乙烯微球,能够满足组装可见光波段胶体晶体的要求。然后采用垂直沉积法,自组装成具有面心立方晶体结构的胶体晶体。利用场发射扫描电镜观察了胶体晶体的结构特点和缺陷情况,借助光纤光谱仪探究了面心立方胶体晶体的不完全光子带隙效应。通过反射光谱图和扫描电镜照片判断、确定和优化了乳液聚合法制备二氧化硅和聚苯乙烯微球的工艺参数。 第二部分,采用毛细力渗透法,在聚苯乙烯微球的胶体晶体模板表面填充含有AMPS和丙烯酰胺单体的前驱液,以双丙烯酰胺作为交联剂,热引发聚合,制得带有磺酸功能基团的AMPS/AMD凝胶光子晶体。该光子晶体的光子带隙波长位于可见光区,能观察到鲜艳的结构颜色。SEM扫描电镜结构表征表明该凝胶光子晶体保持了胶体晶体模板的长程有序周期性面心立方结构。因为磺酸基与水存在亲和作用,AMPS/AMD凝胶光子晶体随水含量改变能发生可逆的溶胀或收缩,从而引起凝胶光子晶体胶粒之间的距离发生变化,导致光子晶体的光子带隙发生位移,光子晶体的结构颜色也随之发生变化。光纤光谱仪监测的布拉格衍射峰光谱表明,光子带隙最大可红移约200 nm,且带隙移动大小与水含量具有相关性。该类光子晶体可用于无水乙醇中水含量的分析。 第三部分,采用毛细力渗透法,在聚苯乙烯微球的胶体晶体模板表面填充含有AMPS和N-异丙基丙烯酰胺(NIPA)单体的前驱液,以丙烯酰胺作为交联剂,热引发聚合,制得具有温敏性的AMPS/NIPA凝胶光子晶体。AMPS/NIPA二元智能凝胶光子晶体结合了磺酸基团良好的亲和性和离子交换性以及NIPA的环境敏感性,在分析领域具有广阔的应用前景。


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