核能作为一种可以替代化石能源的清洁能源,具有效能高、不产生温室气体等优势,已被用于发电、工业、国防等领域。但核能的开发与应用同时会伴随一些污染问题,铀作为主要的放射性核原料,其废水的排放会给环境和人类带来长期的不利影响。对于废水中铀含量的检测通常需要依靠昂贵的大型精密仪器,还需要专业人员的操作,检测过程较为复杂,难以实现原位实时监测;而对于废水中铀的有效去除,现已发展了膜分离、萃取、吸附等多种技术,但这些技术无法在去除铀的同时兼具检测其含量以反映去除程度的功能。具有独特光学性能的光子晶体的出现,为解决这些问题提供了新的研究思路。本论文将光子晶体作为信号转换与信号响应的敏感元件,与功能化水凝胶结合,开发了兼具简单、灵敏、可视化检测与高效去除铀酰离子(UO₂²⁺)的新方法,同时研究了光子晶体的颜色信号随观察角度改变而变化的解决方法,主要研究内容如下:（1）基于Bragg-Snell衍射定律,提高光子晶体模板的折射率可以降低光子晶体的角度依赖性。采用高折射率材料硫化镉（CdS）制备球形颗粒,并在其表面进行二氧化硅（SiO₂）壳层包裹,形成生物相容性好的亲水性CdS@SiO₂核壳结构颗粒,再通过垂直沉积制得低角度依赖的CdS@SiO₂光子晶体模板。不同于传统的SiO₂、聚苯乙烯（PS）材料,这种低角度依赖性的光子晶体模板的引入可以在一定程度上解决光子晶体应用于实际检测时颜色信号随观察角度变化的问题。（2）UO₂²⁺可以与多个配位基团结合,形成四配位到六配位的稳定络合物。基于此,将低角度依赖的CdS@SiO₂光子晶体模板与功能化水凝胶结合,开发了一种兼具可视化检测和高效去除UO₂²⁺功能的低角度依赖CdS@SiO₂光子晶体水凝胶。因为UO₂²⁺可以与水凝胶骨架上大量的酰胺基和羧基基团发生络合反应,使水凝胶发生收缩,改变光子晶体颗粒间距,从而引起衍射峰的蓝移,水凝胶的颜色也随之变化。所以,通过检测光子晶体水凝胶衍射光谱的变化即可实现对UO₂²⁺的分析检测,也可通过水凝胶的颜色初步判断UO₂²⁺的浓度范围;同时这种水凝胶的颜色随观察角度变化较小,响应信号稳定。该光子晶体水凝胶对UO₂²⁺的检测具有良好的选择性和灵敏度,最低检测浓度为100 pM,而且去除性能也较为优秀,模拟实际样中最大吸附量达4.3 mmol·g^-1左右,可用于实际水样中UO₂²⁺的可视化检测与高效去除。（3）基于反蛋白石结构光子晶体的三维互通大孔结构、较高的比表面积等性能,设计了一种反蛋白石光子晶体水凝胶,既可作为可视化检测UO₂²⁺的传感膜,又可实现UO₂²⁺的吸附去除,而且其制备方法简便,易实现大面积制备。其检测和去除原理同样是基于UO₂²⁺与水凝胶骨架上的酰胺基和羧基基团间的络合反应,反应后的水凝胶衍射光谱蓝移,颜色发生肉眼可见的变化。该反蛋白石光子晶体水凝胶对UO₂²⁺的最低检测浓度为50 nM,模拟实际样中最大吸附量在2.5 mmol·g^-1左右,且具备一定抗干扰能力,可以应用于实际环境中的样品检测。