【摘要】：光子晶體是一種由不同介質(zhì)周期性排列組成的具有光學(xué)禁帶特征的光學(xué)材料。由于光子晶體的光子禁帶具有可調(diào)節(jié)性的特點(diǎn),其在防偽、顯色、綠色印刷、光催化、傳感器和檢測(cè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。由實(shí)心微球組成的光子晶體對(duì)常規(guī)化合物的檢測(cè)已經(jīng)有大量報(bào)道,但是它們很難對(duì)折射率極其相近的化合物(如同系物和同分異構(gòu)體)進(jìn)行檢測(cè)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(diǎn),通過(guò)靜態(tài)光譜法、動(dòng)態(tài)光譜法和雙禁移動(dòng)法三種不同的方式成功實(shí)現(xiàn)對(duì)同系物和同分異構(gòu)體的高精度檢測(cè)區(qū)分。首先通過(guò)采用工藝簡(jiǎn)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?yàn)橹锌漳０搴完?yáng)離子表面活性劑為介孔模板。通過(guò)調(diào)控正硅酸乙酯量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)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(nèi)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(shí)心微球構(gòu)成的光子晶體反射光譜中只存在一個(gè)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(gè)明顯的反射峰,分別為一級(jí)反射峰和二級(jí)反射峰,一級(jí)反射峰源于面心立方排列的光子晶體中(111)晶面作用的結(jié)果,而二級(jí)反射峰源于光子晶體中其他如(200)和(311)面等多個(gè)晶面共同作用的結(jié)果,此兩個(gè)反射峰的峰位大小與中空介孔二氧化硅微球的內(nèi)外徑密切相關(guān)。當(dāng)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(gòu)體時(shí),一級(jí)反射峰根據(jù)被檢測(cè)物折射率不同發(fā)生明顯差異性的光子禁帶移動(dòng),移動(dòng)范圍在60~200 nm之間,而二級(jí)反射峰幾乎不發(fā)生移動(dòng)。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(diǎn),引起整體有效折射率巨大差異變化,導(dǎo)致此光子晶體在檢測(cè)痕量液態(tài)同系物和同分異構(gòu)體時(shí)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(dòng)大小分別為145和120 nm,差值高達(dá)25 nm。為了進(jìn)一步提高中空介孔二氧化硅光子晶體對(duì)化合物的檢測(cè)精度,采用動(dòng)態(tài)反射光譜法,通過(guò)記錄50μL化合物揮發(fā)到此光子晶體中的吸附和解吸過(guò)程所表現(xiàn)出的反射光譜隨著時(shí)間變化過(guò)程的顯著差異,實(shí)現(xiàn)了對(duì)微量氣態(tài)同系物和同分異構(gòu)體的高精度檢測(cè)分辨。如正丁醇和異丁醇的折射率僅僅相差0.001,由動(dòng)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(guò)程由6個(gè)顏色帶組成,而異丁醇則由5個(gè)顏色帶組成。正丁醇在最初的100 s內(nèi)的光子晶體平均反射峰位移動(dòng)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(gè)100 s內(nèi)它們的平均反射峰位移動(dòng)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(cè)只能依據(jù)光子晶體禁帶移動(dòng)大小相比,動(dòng)態(tài)光譜法可以從光子禁帶移動(dòng)大小、顏色改變、吸附和解吸平衡時(shí)間、反射峰位移動(dòng)速度及顏色帶的變化過(guò)程等多個(gè)參數(shù)的差異對(duì)氣態(tài)同系物和同分異構(gòu)體進(jìn)行高精度區(qū)分。當(dāng)中空介孔二氧化硅光子晶體長(zhǎng)時(shí)間暴露于微量氣態(tài)同系物和同分異構(gòu)體氣氛中時(shí),它的兩個(gè)反射峰都存在紅移,且一級(jí)反射峰比二級(jí)反射峰移動(dòng)更大。例如,當(dāng)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(shí),光子晶體的一級(jí)反射峰分別移動(dòng)44.1和50.6 nm,二級(jí)反射峰分別移動(dòng)21.9和22.9 nm,雙峰的移動(dòng)大小表現(xiàn)出明顯的差異。不同于實(shí)心微球構(gòu)成的光子晶體在檢測(cè)化合物時(shí)只有一個(gè)反射峰發(fā)生禁帶移動(dòng),可利用中空介孔二氧化硅光子晶體雙禁帶同時(shí)發(fā)生移動(dòng)和雙禁帶移動(dòng)大小不同對(duì)微量氣態(tài)同系物和同分異構(gòu)體進(jìn)行檢測(cè)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(dòng)態(tài)光譜法和雙禁移動(dòng)法三種不同的方式成功實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)此三種檢測(cè)方式完全可逆,并且化合物檢測(cè)量?jī)H需痕量或者微量�；谥锌战榭锥趸韫庾泳w優(yōu)異的檢測(cè)性能必將使得它在物質(zhì)擴(kuò)散、環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)反應(yīng)和生命醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文蒸氣通過(guò)此光子晶體后，它能夠恢復(fù)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(dòng)的關(guān)系，故可以利用 ETPTA/PEGDA 復(fù)合反蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體對(duì)丙酮進(jìn)行檢測(cè)[71]。傳統(tǒng)靜態(tài)光譜法是通過(guò)光子晶體的光譜最終偏移量的不同實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的檢測(cè)，但華東師范大學(xué)葛建平課題組通過(guò)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(dāng)有機(jī)溶劑滴到凝膠表面時(shí)，每隔 2 s 收集此光子晶體凝膠的動(dòng)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(dǎo)致光子晶體有效折射率的改變過(guò)程不同，進(jìn)而使得它們顏色填充等高線圖中的光譜變化過(guò)程明顯不同，如圖 1-5 所示，從而實(shí)現(xiàn)了 DRS 法對(duì)有機(jī)溶劑的檢測(cè)[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(cè)方式，能夠區(qū)分禁帶偏移量相差不大的物質(zhì)，但是此法收集的數(shù)據(jù)太多，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，在純凈的二氧化硅光子晶體中額外加入的凝膠也會(huì)成為光譜效果的影響因素，同時(shí)使得制備過(guò)程復(fù)雜，并且它不能檢測(cè)能與凝膠發(fā)生反應(yīng)的化合物。

第 1 章 緒 論ntelligent polymerized crystalline colloidal array，，的肌酸酐進(jìn)行痕量檢測(cè)，此陣列在生理鹽水中。如圖1-6所示，當(dāng)肌酸酐滲透進(jìn)入IPCCA時(shí)，苯酚產(chǎn)生OH-，OH-會(huì)使得陣列膨脹致使晶格常移動(dòng)和顏色變化，同時(shí)該陣列經(jīng)過(guò)水洗以后會(huì)用，非常環(huán)保。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O734;O613.72;O652

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2702759