pH响应性光子晶体

一基金项目:

国家自然科学基金(51573144;51303143);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2017III028)一陈可:女,1992年生,硕士,研究方向为光子晶体传感器一EＧmail :cocock17＠https://www.360docs.net/doc/5511179343.html,一马会茹:通信作者,女,1973年生,

博士,副教授,研究方向为响应性光子晶体及其光学器件一EＧmail :mahr＠https://www.360docs.net/doc/5511179343.html,

p H 响应性光子晶体

陈一可,马会茹

(武汉理工大学化学化工与生命科学学院,武汉430070)

摘要一一响应性光子晶体(Res p onsive p hotonic cr y stals ,RPCs )具有无毒二无标记二低消耗和裸眼可视的优点,p H 响应性光子晶

体(p HＧRPCs )为食品安全二生物医药二水体环境等领域提供了一种简便的检测方式.目前主要发展了胶体粒子组装体/反蛋白石二层状堆叠和全息三种结构类型的p HＧRPCs .本文在介绍光子晶体(Photonic cr y stals ,PCs )p H 响应原理的基础上,从制备方法二结构特点和p H 响应性能(如灵敏度二响应时间二可视化)等方面对上述p HＧRPCs 进行了详细的综述,分析总结了它们各自的优势和不足,并对其未来的发展进行了展望.

关键词一一响应性光子晶体(RPCs )一结构色一p H一响应性能

中图分类号:O652一一文献标识码:A一一DOI :10 1896/j .

issn 005Ｇ023X 018 7 08p HGRes p onsive Photonic Cr y stals

CHEN Ke ,MA Huiru

(School of Chemistr y ,Chemical En g ineerin g and Life Science ,Wuhan Universit y of Technolo gy ,Wuhan 430070)

Abstract 一一Res p onsive p hotonic cr y stals (RPCs )p rovide a sim p le ,nonＧtoxic ,labelＧfree and lowＧcost a pp roach to the visualized

p H detection in the fields of food safet y ,biolo g ical medicine and water p rotection.

The alread y Ｇdevelo p ed p HＧres p onsive p hotonic cr y stals (p HＧRPCs )mainl y include three structural t yp es ,i.

e.colloidal p articles assembled structure or inverse o p al ,la y ered stackin g and holo g ra p h y .This review illustrated the workin g p rinci p le of p H res p onse of p hotonic cr y stals (PCs )

,and subse q uentl y offers eＧlaborate descri p tions about the p re p aration methods ,structural features and res p onse p erformance includin g sensitivit y ,res p onse time and readabilit y with res p ect to the above mentioned p HＧRPCs.It ends with a summar y of the p HＧRPCs advanta g es and disadＧvanta g es ,as well as a rou g h p ros p ect for the future develo p ment trend.

Ke y words 一一res p onsive p hotonic cr y stals (RPCs )

,structural colors ,p H ,res p onse p erformance 0一引言

光子晶体(Photonic cr y stals ,PCs )

又称光子禁带材料,是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构.它能够调制具有相应波长的电磁波,所具能量在光子带隙内的光子不能进入该晶体结构[1].当带隙的范围落在可见光范围内时,即可产生裸眼可视的结构色.与普通的颜料和色素相比,这种结构色具有无毒二高亮度二高饱和度和永不褪色等

突出优点[2Ｇ3]

.当外界环境发生改变时,自然界中的许多生

物(如鸟类二蝴蝶二海洋生物等)依靠自身体表结构色的可逆变化实现通信二伪装或警告敌人[4]

.受此启发,人们将刺激

(如p H 二温度二湿度等)响应性水凝胶与PCs 结合制备了响应

性光子晶体(Res p onsive p hotonic cr y stals ,RPCs ),其带隙位置或结构色可随外界刺激在整个可见光范围内呈动态变

化[5]

,因此外界刺激的大小或强弱可通过裸眼可视的方式进行半定量分析或借用仪器进行定量分析.

p H 值是衡量食品二

化妆品二生物医药二水体环境等领域质量与安全性常用和重要的指标之一[6].因此,为满足实际应用中p H 检测的不同需求,发展制备简单二性能优异(如灵敏度高二响应速度快)的RPCs 一直是研究者努力的目标.已

大量报道的有关RPCs 的设计原理二制备方法与响应行为的

综述性文章对高性能p H 响应性光子晶体(p HＧRPCs )的研制具有重要的指导意义[7Ｇ14]

,然而目前反映p HＧRPCs 发展现

状的综述性文章鲜有报道.为此,本文首先介绍RPCs 的

p H 检测原理,

然后从制备方法二结构特点二响应性能等方面详细评述目前发展的三种结构类型的p HＧRPCs ,即胶体粒子组装体/反蛋白石类p HＧRPCs 二层状堆叠类p HＧRPCs 和全息类p HＧRPCs ,最后对三种结构的p HＧRPCs 进行总结和展望.

1一p HGRPCs 的检测原理

RPCs 对p H 值的检测主要基于p H 刺激下PCs 衍射峰

位及其对应的结构色的明显变化.这是由于在p H 敏感的RPCs 中含有弱酸(如羧基)或弱碱(氨基)型聚电解质水凝胶,p H 值的改变会促进酸碱解离平衡的移动,

导致水凝胶体积的膨胀或收缩.这种变化改变了PCs 晶格参数(d )

,由布拉格方程m λ＝2n eff d sin θ(m 是衍射级数;λ是入射光的波长;n eff 是体系的有效折射率;d 是晶格常数;θ是入射光和衍射晶面间的夹角)可知,RPCs 衍射峰位(λ)或结构色将随d 的变化而变化[15Ｇ17].因此,环境p H 值的变化可以通过裸眼观察或测试反射光谱的方式进行半定量或定量分析.

4901材料导报A :综述篇一一2018年4月(A )

第32卷第4期万方数据