基于水凝胶的自组装光子晶体制备及应用

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1、中文摘要基于水凝胶的自组装光子晶体制备及应用中文摘要光子晶体是一种介电常数(或折射率)被周期性调制的结构，具有光子禁带的特征，因此在新型光电子器件和生物传感等领域都具有广泛的应用。光子晶体可以通过机械加工、光刻、全息成像等方法制备，但这些制备方法大都需要复杂的装置并且耗费时间长，费用昂贵。基于单分散胶体微球的自组装方法由于具有制备过程简便并可大面积制备具有三维结构的光子晶体的优点而得到广泛的重视，已成为目前光子晶体制备的最常用的方法之一。通过单分散纳米微球自组装制备的光子晶体也被称为胶体晶体，又可分为湿润型和干

2、燥型两种类型。在干燥型胶体晶体中，微球一般形成紧密堆积结构。而湿润型胶体晶体则是单分散胶体微球分散于液体或水凝胶中形成的具有非密堆积结构。光子晶体的光子带隙这一结构特性由介质的折射率(或介电常数)和晶格参数决定。在外部环境的激励下，其中任何一个因素的改变都可以起到调节光子禁带的目的。此外，胶体晶体由于具有较大的比表面积，颜色稳定等特性，非常适合作为生物分子编码载体，但单一的颜色编码不利于进一步扩大编码量和提高检测效率。在本论文中，我们对传统的无皂乳液聚合进行改进，提出在沸腾状态下实现聚合物微球的简单、快速制备。

3、通过该方法，我们设计合成了一系列单分散纳米微球，并以水凝胶为基片，开发出了一种新型的自组装制备干燥型和湿润型胶体晶体的方法。并以此方法制备出具有温敏性的湿润型胶体晶体，通过温度调制实现可调制光子晶体的制备。除此之外，为进一步扩宽目前胶体晶体作为编码载体在多元分析方面的应用，我们制备了一系列不同形状的胶体晶体，利用胶体晶体的反射光谱和水凝胶膜的形状联合编码，进一步扩大胶体晶体载体的编码量，提高光子晶体编码载体的检测范围，进一步推动了以光子晶体作为编码载体的多元分析技术的产业化进程。本论文主要研究工作如下：1．采用

4、沸腾无皂乳液聚合法制备了一系列单分散纳米微球：聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，并对用提拉方法自组装制备光子晶体膜进行了改进。(1)改进了传统无皂乳液聚合的方法，在保证微球质量的前提下，实现了聚合物微球的简单、快速制备，并探讨了单体浓度、引发剂浓度、反应时间对微球粒径及单分散性的影响。利用沸腾无皂乳液聚合法，制备了一系列不同粒径的聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米微球，用于胶体晶体的构筑。(2)采用液面下降法制备高质量胶体晶体薄膜。通过用注射器从容器中抽取悬液的方法来控制液面下降的

5、速度，从而对制备所得胶体晶体的膜厚度进行调控。本方法中液面下降速度的可调节范围比传统方法中提拉速度的可调节范围更宽而且设备简单。东南大学博士学位论文2．在水凝胶表面自组装纳米微球制备湿润型胶体晶体，并通过液体蒸发处理得到干燥型胶体晶体。通过垂直提拉浸在单分散微球悬液中的琼脂糖凝胶基片，制备得到了湿润型胶体晶体。在水凝胶表面的胶体晶体色泽明亮。利用该方法得到的湿润型胶体晶体膜结构比较稳定，不易受环境振动等因素的破坏。通过蒸发湿润型胶体晶体膜和水凝胶中的液体可以控制单分散微球在胶体晶体中的堆积密度，并最终得到具有密

6、堆积结构的干燥型胶体晶体膜。3．温敏胶体晶体膜的制备及其光学特性研究。通过在温敏水凝胶表面沉积胶体晶体，制备得到了湿润型胶体晶体。利用温敏水凝胶在温度变化时水分的吸收和释放，改变其表面地湿润型胶体晶体中微球的体积分数，从而实现温度对湿润型胶体晶体结构和光学特性的调控。该方法提供了一种新的可调制光学器件的制备方法。4．胶体晶体编码载体的制备及其应用。利用易于制备不同光学特性和形状的水凝胶胶体晶体，得到了同时具有光学和形状编码的生物分子编码载体。制备时，首先自组装分散在聚丙烯酰胺液态前聚体中的单分散微球，得到湿润型

7、胶体晶体；再覆盖模版，以紫外光照聚合制备得到不同形状、不同颜色的水凝胶胶体晶体编码载体。因此，胶体晶体编码载体可以按胶体晶体的反射光谱和水凝胶膜的形状进行联合编码，从而扩大了生物分子多元化检测的编码量和检测效率。关键词：水凝胶，光子晶体，胶体晶体，自组装，温度敏感，联合编码载体Ⅱ英文摘要FabricationandApplicationofSelf-AssemblyPhotonicCrystalsBasedonHydrogelAbstractPhotoniccrystalisakindofmaterialofw

8、hichthedielectricfunction(orrefractionindex)isperiodicallytuned．Becauseofthepropertyofphotonicbandgap，photoniccrystalsCanbewidelyusedinmanyfieldssuchasnewtypephotoelectrondeviceandbiosensing．Pho