收藏本站
《江南大学》 2018年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

胶态磁组装光子晶体的制备和传感性能研究

由爱梅  
【摘要】:光子晶体是一种介电常数在空间呈周期性分布的新型功能性材料,独特的周期性结构赋予光子晶体调制电磁波传播的特性。响应性光子晶体在外界因素刺激下,周期性结构发生改变,并能直接通过自身光学信号的变化进行自表达。响应性光子晶体凭借其响应速度快和信号自表达等特点,已逐渐成为一类具有发展潜力的新型传感材料。胶态磁组装光子晶体(Colloidal Magnetically Assembled Photonic Crystals,CMA-PCs)是由单分散的超顺磁性胶态纳米粒子在外界磁场的诱导下组装得到的以胶态形式存在的光子晶体。与依靠重力、离心力、电场力和毛细作用力等驱动力组装制备胶体光子晶体的传统方法相比,磁组装方法具有组装过程快速、可逆,组装操作简单,组装结构可控等优点。分子印迹是制备具有特异性识别位点的分子印迹聚合物的技术,分子印迹聚合物中形成的纳米孔穴在空间形状、大小以及作用位点上都与目标分子相匹配,因此对目标分子具有高选择性识别的特性。本论文采用细乳液聚合法制备得到具有核-壳结构的聚合物包覆的磁性复合纳米粒子(Magnetic Composite Nanoparticles,MCNPs),以MCNPs为组装基元,通过磁组装得到具有结构色的CMA-PCs。为了将CMA-PCs体系应用于特定物质的分析检测,分子印迹技术被引入细乳液聚合制备MCNPs的过程中,聚合结束得到以磁性纳米簇为核、分子印迹聚合物为壳的磁性分子印迹纳米粒子(Magnetic Molecularly Imprinted Nanoparticles,MMIPs),MMIPs既是光子晶体结构的组装基元,表面又具有印迹孔穴,可以选择性地识别目标分子,因此将MMIPs分散在待测物质的水溶液中,通过磁组装即可直接得到对目标分子具有特异性识别和响应能力的胶态磁组装分子印迹光子晶体(Colloidal Magnetically Assembled Molecularly Imprinted Photonic Crystals,CMA-MIPCs)。本论文的主要研究内容和结果如下:一、采用细乳液聚合法制备球形形貌规整、表面带有负电荷的MCNPs,并通过磁组装在磁吸引力和静电排斥力的平衡作用下得到结构色位于可见光波段的CMA-PCs。以透射电子显微镜、振动样品磁强计、热重分析仪、Zeta电位及纳米粒度分析仪和微型光纤光谱仪等作为表征手段,考察细乳液聚合反应中乳化剂十二烷基硫酸钠(SDS)的用量、超声细乳化作用的时间和助乳化剂十六醇(CA)等因素对MCNPs的形貌、粒径、多分散度、磁性物质包覆率和CMA-PCs光学特性的影响,并确定细乳液聚合法制备MCNPs的最优实验条件为乳化剂SDS用量为0.75 mg/mL,三步超声细乳化作用的时间为60-30-60 s,不添加助乳化剂CA。该优化条件下制备的MCNPs平均粒径为97.3 nm(RSD=7.10%,n=100),磁性物质包覆率为43.0%,该MCNPs在0.01 T磁场强度下组装得到的CMA-PCs结构色为黄色,调节磁场强度(0.01-0.20 T)CMA-PCs的结构色可以在黄色到紫色可见光全波段内发生改变。乳化剂SDS的用量对MCNPs的粒径和磁性物质包覆率均有重要的影响,进而影响CMA-PCs的光学特性。随着乳化剂SDS用量的增加,相同磁场强度下组装得到的CMA-PCs结构色发生蓝移,同时在0.01-0.20 T磁场强度范围内CMA-PCs结构色的可调控范围变窄。离子强度对CMA-PCs的光学特性具有重要的影响,当离子强度从0.03 mmol/L增加至0.75 mmol/L,CMA-PCs的反射波长从607 nm蓝移至434 nm,因此CMA-PCs可作为离子强度传感器。二、在细乳液聚合法制备MCNPs的基础上,将分子印迹技术引入MCNPs的制备过程中,在确定的最优细乳液聚合反应条件下,选取碱性小分子物质三聚氰胺(MEL)为模板分子,甲基丙烯酸甲酯为骨架单体,丙烯酰胺和甲基丙烯酸为功能单体。在细乳液聚合反应中模板分子和功能单体通过氢键作用形成稳定的配合物,交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)通过聚合将该配合物“捕获”在聚合物的网络结构中。通过优化功能单体丙烯酰胺和甲基丙烯酸的用量,得到球形形貌规整、核-壳结构明显的三聚氰胺磁性分子印迹纳米粒子(MEL-MMIPs)。洗脱除去模板分子的MEL-MMIPs表面具有印迹孔穴,可以选择性地识别目标分子三聚氰胺,因此通过磁组装即可直接得到对三聚氰胺具有特异性识别和响应能力的CMA-MIPCs传感器。CMA-MIPCs对三聚氰胺的识别响应致使MEL-MMIPs表面电位增加,粒子间静电排斥力增大,进而导致CMA-MIPCs的晶格间距增加,结构色发生红移。随着三聚氰胺的浓度从1.0×10~(-5) mg/mL增加至1.0×10~(-2) mg/mL,CMA-MIPCs的反射波长从420 nm红移至620 nm,最大红移量达到200 nm,CMA-MIPCs对三聚氰胺的最低检测限为1.0×10~(-5) mg/mL。而结构类似物三聚氰酸和莠去津没有导致CMA-MIPCs的结构色发生改变,表现出了较高的选择性。三、选取氯霉素(CAP)为模板分子,考察CMA-MIPCs体系对中性小分子物质的响应性。在MEL-MMIPs的制备基础上,调整模板分子氯霉素和功能单体丙烯酰胺、甲基丙烯酸的用量,通过细乳液聚合法制备得到具有核-壳结构的氯霉素磁性分子印迹纳米粒子(CAP-MMIPs),通过磁组装得到对氯霉素具有特异响应性的CMA-MIPCs传感器。在传感响应过程中CAP-MMIPs表面重新结合氯霉素分子导致粒子尺寸增加,CAP-MMIPs内核的磁性粒子分布到聚合物壳层,变薄的聚合物壳层对磁吸引力的屏蔽作用减弱,粒子间增加的磁吸引力导致CMA-MIPCs的晶格间距减小,结构色发生蓝移。随着氯霉素的浓度从1.0×10~-33 mg/mL增加至1.00 mg/mL,CMA-MIPCs反射波长的最大蓝移量达到181 nm,最低检测限为1.0×10~(-3) mg/mL。而CMA-MIPCs对氯霉素的结构类似物对硝基苯胺和功能类似物四环素均无响应,表现出了较高的选择性。四、选取L-苯丙氨酸(L-Phe)为模板分子,考察CMA-MIPCs体系对酸性小分子物质的响应性。采用细乳液聚合法,通过优化功能单体丙烯酰胺和甲基丙烯酸的用量,制备得到具有核-壳结构的L-苯丙氨酸磁性分子印迹纳米粒子(L-Phe-MMIPs),然后通过磁组装得到对L-苯丙氨酸具有特异响应性的CMA-MIPCs。CMA-MIPCs对L-苯丙氨酸的识别致使L-Phe-MMIPs表面电位增加,粒子间静电排斥力增大,进而导致CMA-MIPCs的晶格间距增加,结构色发生红移。随着L-苯丙氨酸的浓度从1.0×10~(-4)mg/mL增加至1.0×10~(-1) mg/mL,CMA-MIPCs反射波长的最大红移量达到171 nm,最低检测限为1.0×10~(-4) mg/mL。而CMA-MIPCs对L-苯丙氨酸的结构类似物L-酪氨酸和L-色氨酸均无响应,表现出了较高的选择性。由于CMA-MIPCs是基于静电排斥力稳定的胶体体系,通过系统地考察CMA-MIPCs传感器对碱性小分子物质三聚氰胺、中性小分子物质氯霉素和酸性小分子物质L-苯丙氨酸的印迹和响应效果,确定了CMA-MIPCs传感平台在酸性、碱性以及中性小分子物质检测应用的响应性。五、将凝胶固化技术和CMA-PCs体系结合将为CMA-MIPCs传感平台的应用开拓新的方向。采用低温引发聚合制备磁组装光子晶体凝胶,凝胶的聚合和胶态光子晶体的磁组装同时进行。低温引发聚合的反应时间仅为10 s,有利于光子晶体结构被均匀地封装在凝胶基质中。同时聚丙烯酰胺凝胶自身良好的弹性形变性能,赋予了磁组装光子晶体凝胶形变响应的特性。将光子晶体的磁组装技术和凝胶制备技术结合,可以快速、方便、大规模地制备具有形变响应性的凝胶光子晶体,在物理传感领域具有重要的意义。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O734

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 薛飞;王一飞;王秋鸿;孟子晖;薛敏;黄舒悦;芦薇;;分子印迹胶体阵列检测对硝基苯酚[J];分析化学;2012年02期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 王佩佩;彭书传;朱承驻;胡喆;;高铁酸钾/紫外光协同体系降解对硝基苯酚研究[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2015年09期
2 徐微微;龙泽荣;鹿毅;王吉德;;分子印迹阵列式传感器的研究进展[J];化学通报;2014年12期
3 王秋鸿;薛敏;王丰彦;阎泽群;薛飞;陈伟;齐丰莲;孟子晖;徐志斌;;反蛋白石光子晶体凝胶的pH响应[J];高等学校化学学报;2014年11期
4 克帕亚木·买买提;吐尔洪·买买提;尤努斯江·吐拉洪;布热比亚·亚合普;;对硝基苯酚分子印迹聚合物最佳功能单体的筛选及其在水样固相萃取中的应用[J];应用化学;2014年04期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 薛飞;段廷蕊;薛敏;刘烽;王一飞;韦泽全;王淼;张盼;袁梓高;孟子晖;;葡萄糖检测用分子印迹光子晶体的研究[J];分析化学;2011年07期
2 王若燕;周晓萍;杜赛;吴红苗;;HPLC法同时测定工作场所空气中的苯酚、对硝基苯酚、2,4-二硝基苯酚、2,4,6-三硝基苯酚和间苯二酚[J];中国卫生检验杂志;2010年06期
3 陈义;李晋成;;光子晶体在分析化学中的应用[J];色谱;2009年05期
4 段廷蕊;李海华;孟子晖;刘烽;都明君;;光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展[J];化学通报;2009年04期
5 宣栋梁 ,黎源倩;高效液相色谱法测定环境水中的酚类化合物[J];中国公共卫生;2002年09期
6 姜汉硕,张淑琴,张文荣,郑照霞;尿中对硝基酚的高效液相色谱测定法[J];工业卫生与职业病;1992年01期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 汪彩琴;唐淑阁;刘辉;李亚;马新华;李晓丽;袁宝明;刘楠;;光子晶体在环境污染物快速检测方面的研究进展[J];环境化学;2018年01期
2 师凝洁;许多;王禾欣;王战亮;巩华荣;段兆云;路志刚;魏彥玉;宫玉彬;;光子晶体在真空电子器件中的应用[J];真空电子技术;2018年02期
3 宋艳秋;彭媛;高志贤;何厚罗;徐天依;王明林;;光子晶体在食品有害物检测中的应用及展望[J];食品研究与开发;2018年09期
4 ;理化所光子晶体电浸润性研究取得新进展[J];河南化工;2017年01期
5 由爱梅;曹玉华;曹光群;;胶态磁组装光子晶体及其离子强度响应[J];高等学校化学学报;2017年03期
6 孟佳意;县泽宇;李昕;张德权;;光子晶体纤维的制备及应用[J];材料导报;2017年05期
7 刘晓静;孟祥东;梁禺;张斯淇;刘继平;马季;李宏;吴向尧;;一维变频光子晶体的透射特性[J];吉林大学学报(理学版);2017年03期
8 ;理化所光子晶体电浸润性研究取得新进展[J];功能材料信息;2017年01期
9 宋明丽;王小平;王丽军;陈海将;廉吉庆;柯小龙;宁仁敏;;光子晶体制备及其应用研究进展[J];材料导报;2016年07期
10 杨坤;;正交光子晶体制备方法研究[J];科技展望;2015年11期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王京霞;;碳点光子晶体制备及其性能研究[A];中国化学会2017全国高分子学术论文报告会摘要集——主题J:高分子组装与超分子体系[C];2017年
2 李镇;伍瑞新;;链式磁性光子晶体单向波导调控特性研究[A];2016年全国军事微波、太赫兹、电磁兼容技术学术会议论文集[C];2016年
3 唐开;陈可;马会茹;官建国;;磁性光子晶体短链的制备、磁组装特性与光学性能[A];中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十六分会:纳米材料合成与组装[C];2016年
4 孟凡姝;王京霞;江雷;;光子晶体微型结构激光器件制备研究进展[A];2016年全国高分子材料科学与工程研讨会论文摘要集[C];2016年
5 陈婷;田宇;尹苏娜;陈苏;;单分散聚苯乙烯微球在温度敏感型光子晶体材料中的应用[A];2015年全国高分子学术论文报告会论文摘要集——主题G 光电功能高分子[C];2015年
6 王京霞;宋延林;江雷;;光子晶体制备及应用中的特殊浸润性[A];2014年全国高分子材料科学与工程研讨会学术论文集(下册)[C];2014年
7 李志远;;光子晶体功能元件的理论研究和设计[A];第十一届基础光学与光物理讨论会论文摘要集[C];2004年
8 马博琴;王霆;盛艳;倪培根;程丙英;张道中;;二维准周期非线性光子晶体中的谐频过程[A];第十一届基础光学与光物理讨论会论文摘要集[C];2004年
9 顾本源;王雪华;王容洲;;不同耦合强度导致光子晶体中原子自发辐射行为的多样性[A];第十届全国基础光学与光物理学术研讨会和第十一届激光物理讨论会论文摘要集[C];2002年
10 伍瑞新;李镇;李清波;蒲殷;;应用磁性光子晶体链实现非互易的表面波和空间波传播[A];第十七届全国晶体生长与材料学术会议摘要集[C];2015年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;我国光子晶体中原子自发辐射特性研究获突破[N];中国高新技术产业导报;2006年
2 贾正根;光子晶体学俏然崛起[N];中国电子报;2001年
3 张孟军;攀登光子晶体高峰的人[N];科技日报;2004年
4 杨健;中科院取得光子晶体理论创新[N];人民日报;2003年
5 清华大学材料科学与工程系 周济;光子晶体:光信息时代的“半导体”[N];中国电子报;2005年
6 华凌;耐上千摄氏度高温的光子晶体问世[N];科技日报;2012年
7 丛林;聚合物光子晶体研究取得进展[N];中国化工报;2011年
8 冯卫东;加开发出新型光子晶体显示技术[N];科技日报;2007年
9 刘霞;美制成兼具电学光学性质的光子晶体[N];科技日报;2011年
10 记者 华凌;科学家开发出纳米尺度光子晶体[N];科技日报;2013年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王鹤;光子晶体与等离子体共振效应增强光致发光及其应用探索[D];吉林大学;2018年
2 由爱梅;胶态磁组装光子晶体的制备和传感性能研究[D];江南大学;2018年
3 沈平;表面及界面层光管理提高聚合物太阳能电池性能的研究[D];吉林大学;2018年
4 张伟;金属/电介质周期性微纳光子功能结构的设计制备与应用研究[D];南京理工大学;2017年
5 英宇;新型磁流体光子晶体传感理论和仿真研究[D];东北大学;2015年
6 蒲殷(Yin Poo);应用磁性光子晶体调控电磁波传播的理论与实验研究[D];南京大学;2012年
7 李文超;折射率可调的光子晶体及实验的研究[D];河北工业大学;2011年
8 王晓玲;光子晶体在生化传感中的应用研究[D];北京邮电大学;2009年
9 李岩;光子晶体及其应用的数值模拟研究[D];中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所);2004年
10 谭春华;InP-SiO_2三维光子晶体的MOCVD法制备和表征[D];华南师范大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李梦;基于Fe_3O_4@C磁性复合纳米粒子快速自组装制备三维光子晶体及其应用研究[D];江南大学;2018年
2 邓杨;基于磁性TiO_2-SiO_2反蛋白石光子晶体微球光催化降解DON的研究[D];南京师范大学;2018年
3 丁志;基于反蛋白石光子晶体微球富集、净化与检测OTA、AFB_1和DON的研究[D];南京师范大学;2018年
4 彭瑶;基于光子晶体缺陷结构的光通信器件的设计与研究[D];广西师范大学;2018年
5 张瑞芳;基于光子晶体的光催化增强反应体系研究[D];华东师范大学;2018年
6 朱碧婷;基于液态光子晶体的多孔传感器[D];华东师范大学;2018年
7 陈柯;响应型光子晶体的构筑及其在结构色印刷中的应用[D];华东师范大学;2018年
8 施伟;GaN基光子晶体LED的制备与性能研究[D];华南理工大学;2018年
9 李梦雪;二维三角晶格层层结构光子晶体负折射现象的研究[D];青岛大学;2018年
10 周志成;二维声光子晶体的传感特性的研究[D];南昌大学;2018年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026