论文部分内容阅读
光子晶体是一种由不同介质周期性排列组成的具有光学禁带特征的光学材料。由于光子晶体的光子禁带具有可调节性的特点,其在防伪、显色、绿色印刷、光催化、传感器和检测等领域有广泛的应用。由实心微球组成的光子晶体对常规化合物的检测已经有大量报道,但是它们很难对折射率极其相近的化合物（如同系物和同分异构体）进行检测分辨。本文首次以新颖的中空介孔二氧化硅微球自组装成光子晶体,利用其拥有大比表面积、孔容积和众多孔隙的特点,通过静态光谱法、动态光谱法和双禁移动法三种不同的方式成功实现对同系物和同分异构体的高精度检测区分。首先通过采用工艺简单的模板法制备单分散中空介孔二氧化硅微球,其中以聚苯乙烯微球为中空模板和阳离子表面活性剂为介孔模板。通过调控正硅酸乙酯量、反应温度、反应时间和溶剂比例等工艺参数制备出粒径均一、球形度高和内外径可控的中空介孔二氧化硅微球。然后利用垂直沉积法制备出中空介孔二氧化硅光子晶体。与实心微球构成的光子晶体反射光谱中只存在一个反射峰相比,由中空介孔二氧化硅微球组装成的光子晶体展示出两个明显的反射峰,分别为一级反射峰和二级反射峰,一级反射峰源于面心立方排列的光子晶体中（111）晶面作用的结果,而二级反射峰源于光子晶体中其他如（200）和（311）面等多个晶面共同作用的结果,此两个反射峰的峰位大小与中空介孔二氧化硅微球的内外径密切相关。当在中空介孔二氧化硅光子晶体中浸入10μL液态同系物或同分异构体时,一级反射峰根据被检测物折射率不同发生明显差异性的光子禁带移动,移动范围在60200 nm之间,而二级反射峰几乎不发生移动。由于中空介孔二氧化硅光子晶体提供了高的比表面积、孔容和吸附位点,引起整体有效折射率巨大差异变化,导致此光子晶体在检测痕量液态同系物和同分异构体时展现出高的灵敏度和选择性,如正丙醇和异丙醇的折射率仅相差0.008,光子禁带移动大小分别为145和120 nm,差值高达25 nm。为了进一步提高中空介孔二氧化硅光子晶体对化合物的检测精度,采用动态反射光谱法,通过记录50μL化合物挥发到此光子晶体中的吸附和解吸过程所表现出的反射光谱随着时间变化过程的显著差异,实现了对微量气态同系物和同分异构体的高精度检测分辨。如正丁醇和异丁醇的折射率仅仅相差0.001,由动态反射光谱法所得到的正丁醇和异丁醇颜色填充等高线图差异巨大,正丁醇的颜色填充等高线图中吸附过程由6个颜色带组成,而异丁醇则由5个颜色带组成。正丁醇在最初的100 s内的光子晶体平均反射峰位移动速率比异丁醇慢,分别为14.2×10-2和20.4×10-2 nm/s,在第二个100 s内它们的平均反射峰位移动速率也不同,分别为7.0×10-2和8.3×10-2 nm/s。与静态光谱法检测只能依据光子晶体禁带移动大小相比,动态光谱法可以从光子禁带移动大小、颜色改变、吸附和解吸平衡时间、反射峰位移动速度及颜色带的变化过程等多个参数的差异对气态同系物和同分异构体进行高精度区分。当中空介孔二氧化硅光子晶体长时间暴露于微量气态同系物和同分异构体气氛中时,它的两个反射峰都存在红移,且一级反射峰比二级反射峰移动更大。例如,当此光子晶体分别暴露于气态正丁醇和异丁醇环境中时,光子晶体的一级反射峰分别移动44.1和50.6 nm,二级反射峰分别移动21.9和22.9 nm,双峰的移动大小表现出明显的差异。不同于实心微球构成的光子晶体在检测化合物时只有一个反射峰发生禁带移动,可利用中空介孔二氧化硅光子晶体双禁带同时发生移动和双禁带移动大小不同对微量气态同系物和同分异构体进行检测分辨。本论文利用中空介孔二氧化硅光子晶体以静态光谱法、动态光谱法和双禁移动法三种不同的方式成功实现对醇系物、苯系物、乙醇胺类和氯化物四大类折射率极其相近化合物的高精度分辨,同时此三种检测方式完全可逆,并且化合物检测量仅需痕量或者微量。基于中空介孔二氧化硅光子晶体优异的检测性能必将使得它在物质扩散、环境监测、化学反应和生命医学等领域有更广阔的应用前景。