二維有序陣列/水凝膠復合體系傳感特性研究取得系列進展

　　近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所研究員李越課題組在高衍射強度二維(2D)有序陣列/智能水凝膠復合體系可視化傳感特性研究方面取得新進展。相關系列研究成果在J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 3659和J. Mater. Chem. C, 2016, 4, 2117上發(fā)表。

　　2D光子晶體由于制備簡單、迅速等優(yōu)點，將其與智能水凝膠復合，可用作可視化傳感材料。如果探測目標分子選擇性刺激水凝膠，水凝膠薄膜則會溶脹或收縮，從而導致附著其上的2D光子晶體晶格常數(shù)改變，從而引起其表觀顏色和衍射光譜發(fā)生相應的變化。通過顏色的變化實現(xiàn)了對目標分子的可視化探測，該方法具有重要的應用前景。目前用到的2D光子晶體主要是2D聚苯乙烯（PS）膠體微球陣列，但其衍射信號非常弱，致使在衍射光譜的測量過程需借助高反射鏡來增加衍射光強度才能實現(xiàn)光學表征，嚴重限制了其實際應用。

　　針對上述問題，該研究團隊發(fā)展了雙面負載2D PS微球陣列的殼聚糖（CS）水凝膠膜制備方法，研究了其對pH的可視化傳感特性。雙面負載2D PS微球陣列水凝膠復合體系，由于多重光衍射的原因，相對于單面負載2D PS微球陣列水凝膠復合體系來說，其衍射強度提高了1倍，但其光衍射強度仍然較低，衍射測量仍需借助高反射鏡。在這個工作的基礎上，該研究團隊進一步發(fā)展了負載2D Au納米球陣列聚丙烯酸（PAAc）水凝膠復合膜的制備方法，研究發(fā)現(xiàn)該2D Au納米球陣列/PAAc膜復合薄膜顯示出絢麗的顏色以及超強的衍射信號。研究發(fā)現(xiàn)該超強的光學衍射信號來源于Au納米球大的散射截面以及Au納米球陣列的周期性。2D Au納米球陣列/PAAc膜復合薄膜在石英基質(zhì)上的光衍射強度，大約是2D PS納米球陣列/PAAc膜復合物在高反射鋁鏡上光衍射強度的88倍。該方法成功解決了普通2D光子晶體/水凝膠薄膜用作可視化傳感器時，衍射強度低，需借助高反射鏡的問題。超高光衍射強度的特性使2D Au納米球陣列/水凝膠膜復合體系在可視化傳感方面具有很好的實際應用價值。此外，此法具有普適性，適用于經(jīng)不同識別劑修飾的水凝膜負載上2D Au納米球陣列實現(xiàn)不同目標物質(zhì)的可視化探測。

　　上述研究得到了“973”項目、國家自然科學基金、中科院科技創(chuàng)新“交叉與合作團隊”等項目的資助。

　　圖：（a）2D Au納米球陣列的SEM圖，插圖為其高倍圖；（b）水凝膠膜負載2D Au納米球陣列的SEM圖；（c）2D Au納米球陣列/水凝膠膜復合物（I）以及2D PS納米球陣列/水凝膠膜復合物（II）同時在水中的光學照片；（d）衍射光譜對比圖：I. 2D Au納米球陣列/水凝膠膜復合物置于透明石英基質(zhì)上的衍射光譜圖；II. 2D PS納米球陣列/水凝膠膜復合物置于鋁鏡上的衍射光譜圖，插圖為II曲線的放大圖；（e）2D Au納米球陣列/水凝膠膜復合物在不同pH值所對應的光學照片。圖（a）和圖（b）的標尺為2 μm，圖（c）的標尺為1 cm，圖（a）插圖的標尺為200 nm。