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光子晶體生化傳感器 版權信息
- ISBN：9787030692214
- 條形碼：9787030692214 ; 978-7-03-069221-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
光子晶體生化傳感器 內容簡介
光子晶體是一種具有光學帶的超材料，當其帶尺寸位于可見光波段時，會體現出獨特的結構色。光子晶體經過功能化后會響應外界物理或化學刺激，并導致其結構色的變化。基于這一院里近二十年來光子晶體被用于構筑具有裸眼檢測能力的生化傳感器。本書介紹了光子晶體的設計原理和制備技術，并詳細介紹了利用光子晶體對有機磷、爆炸物、環境污染物、VOC、生物大分子的檢測技術。以及光子晶體傳感器在可穿戴設備上的應用。本書有助于科研人員利用光子晶體技術建立對目標化合物的現場快速篩查技術。
光子晶體生化傳感器 目錄
目錄
第1章光子晶體原理與材料設計1
1.1引言1
1.2光子晶體基本原理3
1.3光子晶體材料8
1.3.1無機材料8
1.3.2有機材料12
1.3.3核殼球體13
1.3.4嵌段共聚物15
1.4總結與展望17
參考文獻18
第2章光子晶體的制備21
2.1引言21
2.2一維光子晶體的制備21
2.2.1磁場誘導自組裝法21
2.2.2相互作用力誘導自組裝法24
2.2.3刻蝕法25
2.2.4旋涂法26
2.3二維光子晶體的制備28
2.3.1磁場誘導自組裝法28
2.3.2Langmuir-Blodgett自組裝法28
2.3.3尖端導流自組裝法29
2.4三維光子晶體的制備31
2.4.1磁場誘導自組裝法31
2.4.2蒸發誘導自組裝法32
2.4.3過飽和沉降法34
2.4.4靜電作用力誘導自組裝法35
2.4.5微流體自組裝法35
參考文獻38
第3章光子晶體檢測爆炸物45
3.1引言45
3.2研究進展46
3.2.1基于化學比色法46
3.2.2基于熒光分析法49
3.2.3基于拉曼光譜法51
3.2.4基于其他檢測方法53
3.3總結與展望54
參考文獻54
第4章光子晶體檢測有機磷57
4.1引言57
4.2研究進展59
4.2.1基于光子晶體59
4.2.2基于分子印跡光子晶體62
4.2.3基于聚合晶體膠體陣列光子晶體傳感技術63
4.2.4基于光子晶體編碼微球的液相芯片技術66
4.3總結與展望69
參考文獻70
第5章光子晶體檢測環境污染物72
5.1引言72
5.2重金屬離子的檢測72
5.3內分泌干擾物檢測75
5.4總結與展望78
參考文獻79
第6章光子晶體檢測VOC82
6.1VOC氣體介紹82
6.2光子晶體VOC傳感器83
6.2.1光子晶體波導86
6.2.2光子晶體微腔88
6.2.3光子晶體光纖89
6.3總結與展望91
參考文獻92
第7章光子晶體檢測生物大分子95
7.1引言95
7.2不同空間維度的光子晶體傳感器96
7.2.1一維光子晶體傳感器及其應用96
7.2.2二維光子晶體傳感器及其應用101
7.2.3三維光子晶體傳感器及其應用107
7.3總結與展望114
參考文獻115
第8章POC診斷光子晶體124
8.1引言124
8.2POC概況125
8.3光子晶體傳感器在POC領域的應用126
8.3.1水凝膠傳感器126
8.3.2硅基傳感器127
8.3.3微流體技術129
8.3.4芯片實驗室130
8.3.5液晶材料131
8.3.6SPR/LSPR技術133
8.3.7基于智能手機的POC設備134
8.3.8POC光子晶體面臨的挑戰135
8.4總結與展望136
參考文獻136
第9章光子晶體檢測溫度、壓力141
9.1光子晶體溫度傳感器141
9.1.1引言141
9.1.2研究進展141
9.1.3總結與展望145
9.2光子晶體壓力傳感器145
9.2.1引言145
9.2.2研究進展146
9.2.3總結與展望147
參考文獻148
第10章可穿戴光子晶體150
10.1引言150
10.2研究現狀150
10.2.1基于光子晶體的機械可穿戴醫療傳感150
10.2.2基于光子晶體的可穿戴式眼鏡傳感器155
10.2.3基于光子晶體的凝膠式人造光子皮膚156
10.3總結與展望158
參考文獻158
第11章光子晶體食品安全檢測160
11.1引言160
11.2光子晶體在食品安全檢測領域的應用160
11.2.1食品中毒素檢測160
11.2.2藥物殘留檢測161
11.2.3抗生素殘留檢測164
11.2.4重金屬殘留檢測165
11.2.5食品中其他有害物質檢測167
11.3總結與展望169
參考文獻169
第12章仿生光子晶體173
12.1引言173
12.1.1光子晶體概述173
12.1.2天然光子晶體173
12.1.3仿生學179
12.1.4仿生光子晶體181
12.2蝴蝶181
12.2.1概述181
12.2.2復制184
12.2.3基于復制開發的應用189
12.2.4超浸潤性191
12.2.5傳感191
12.2.6物種識別197
12.2.7太陽能電池197
12.2.8催化197
12.2.9熱管理197
12.2.10防偽198
12.3甲蟲199
12.3.1概述199
12.3.2復制201
12.3.3傳感204
12.4源自其他生物的仿生光子晶體制備及應用206
12.4.1鳥類206
12.4.2光子鼻207
12.4.3鳥嘌呤-變色龍208
12.4.4光纖209
12.4.5濕度響應210
12.4.6防偽210
12.4.7結構色材料212
12.5總結與展望212
參考文獻212
第1章光子晶體原理與材料設計1
1.1引言1
1.2光子晶體基本原理3
1.3光子晶體材料8
1.3.1無機材料8
1.3.2有機材料12
1.3.3核殼球體13
1.3.4嵌段共聚物15
1.4總結與展望17
參考文獻18
第2章光子晶體的制備21
2.1引言21
2.2一維光子晶體的制備21
2.2.1磁場誘導自組裝法21
2.2.2相互作用力誘導自組裝法24
2.2.3刻蝕法25
2.2.4旋涂法26
2.3二維光子晶體的制備28
2.3.1磁場誘導自組裝法28
2.3.2Langmuir-Blodgett自組裝法28
2.3.3尖端導流自組裝法29
2.4三維光子晶體的制備31
2.4.1磁場誘導自組裝法31
2.4.2蒸發誘導自組裝法32
2.4.3過飽和沉降法34
2.4.4靜電作用力誘導自組裝法35
2.4.5微流體自組裝法35
參考文獻38
第3章光子晶體檢測爆炸物45
3.1引言45
3.2研究進展46
3.2.1基于化學比色法46
3.2.2基于熒光分析法49
3.2.3基于拉曼光譜法51
3.2.4基于其他檢測方法53
3.3總結與展望54
參考文獻54
第4章光子晶體檢測有機磷57
4.1引言57
4.2研究進展59
4.2.1基于光子晶體59
4.2.2基于分子印跡光子晶體62
4.2.3基于聚合晶體膠體陣列光子晶體傳感技術63
4.2.4基于光子晶體編碼微球的液相芯片技術66
4.3總結與展望69
參考文獻70
第5章光子晶體檢測環境污染物72
5.1引言72
5.2重金屬離子的檢測72
5.3內分泌干擾物檢測75
5.4總結與展望78
參考文獻79
第6章光子晶體檢測VOC82
6.1VOC氣體介紹82
6.2光子晶體VOC傳感器83
6.2.1光子晶體波導86
6.2.2光子晶體微腔88
6.2.3光子晶體光纖89
6.3總結與展望91
參考文獻92
第7章光子晶體檢測生物大分子95
7.1引言95
7.2不同空間維度的光子晶體傳感器96
7.2.1一維光子晶體傳感器及其應用96
7.2.2二維光子晶體傳感器及其應用101
7.2.3三維光子晶體傳感器及其應用107
7.3總結與展望114
參考文獻115
第8章POC診斷光子晶體124
8.1引言124
8.2POC概況125
8.3光子晶體傳感器在POC領域的應用126
8.3.1水凝膠傳感器126
8.3.2硅基傳感器127
8.3.3微流體技術129
8.3.4芯片實驗室130
8.3.5液晶材料131
8.3.6SPR/LSPR技術133
8.3.7基于智能手機的POC設備134
8.3.8POC光子晶體面臨的挑戰135
8.4總結與展望136
參考文獻136
第9章光子晶體檢測溫度、壓力141
9.1光子晶體溫度傳感器141
9.1.1引言141
9.1.2研究進展141
9.1.3總結與展望145
9.2光子晶體壓力傳感器145
9.2.1引言145
9.2.2研究進展146
9.2.3總結與展望147
參考文獻148
第10章可穿戴光子晶體150
10.1引言150
10.2研究現狀150
10.2.1基于光子晶體的機械可穿戴醫療傳感150
10.2.2基于光子晶體的可穿戴式眼鏡傳感器155
10.2.3基于光子晶體的凝膠式人造光子皮膚156
10.3總結與展望158
參考文獻158
第11章光子晶體食品安全檢測160
11.1引言160
11.2光子晶體在食品安全檢測領域的應用160
11.2.1食品中毒素檢測160
11.2.2藥物殘留檢測161
11.2.3抗生素殘留檢測164
11.2.4重金屬殘留檢測165
11.2.5食品中其他有害物質檢測167
11.3總結與展望169
參考文獻169
第12章仿生光子晶體173
12.1引言173
12.1.1光子晶體概述173
12.1.2天然光子晶體173
12.1.3仿生學179
12.1.4仿生光子晶體181
12.2蝴蝶181
12.2.1概述181
12.2.2復制184
12.2.3基于復制開發的應用189
12.2.4超浸潤性191
12.2.5傳感191
12.2.6物種識別197
12.2.7太陽能電池197
12.2.8催化197
12.2.9熱管理197
12.2.10防偽198
12.3甲蟲199
12.3.1概述199
12.3.2復制201
12.3.3傳感204
12.4源自其他生物的仿生光子晶體制備及應用206
12.4.1鳥類206
12.4.2光子鼻207
12.4.3鳥嘌呤-變色龍208
12.4.4光纖209
12.4.5濕度響應210
12.4.6防偽210
12.4.7結構色材料212
12.5總結與展望212
參考文獻212
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光子晶體生化傳感器 節選
第1章光子晶體原理與材料設計 1.1引言 1987年，John和Yablonovitch分別提出了基于半導體晶體的特性和電子帶隙的光子晶體（photonic crystal，PC）的概念［1，2］。人工光子晶體的制造研究開始吸引越來越多研究者的關注。作為現代光子學中的新型超材料，光子晶體是由不同介電材料在空間呈交替排列的周期性結構，介電材料的周期性調制會在光子帶結構中產生一個禁帶，也就是光子帶隙（photonic band gap，PBG）［3］。所謂光子帶隙，是指一定頻率范圍內的波不能在周期性結構中進行傳播，這個被禁止的頻率范圍形成阻帶。如果阻帶在所有方向上都存在，則該材料就是完整的光子帶隙（CPBG）材料，此類光子帶隙材料通常稱為光子晶體。 雖然“光子晶體”這個概念提出不過30多年，但是相關的研究可以追溯到17～18世紀早期，羅伯特 胡克（Robert Hooke）和艾薩克 牛頓（Isaac Newton）觀察到孔雀尾羽和珍珠母中的結構顏色。近年來通過電子顯微鏡研究揭示出在自然界中存在著從一維（1D）到三維（3D）光子晶體的各種納米光子結構［4，5］。例如，尖翅藍閃蝶（學名：Morpho rhetenor）的翼翅就是自然界生物結構色的典型代表（圖1.1），當光源的入射角或周圍環境介質發生變化時，翅膀的顏色和亮度會做出相應的變化。光子晶體所展示的結構色，是光與生物材料周期性排列的微結構之間相互作用的結果。動態結構色在自然界中很少見，其功能包括偽裝、特定識別、掠食、信號通信和交配等行為。它涉及在納米層次結構中入射寬帶光（太陽光）的衍射，可以在從紫外到近紅外(NIR)區域（200～1000nm）的光譜范圍內進行周期性調節。例如，在長角甲蟲［4］中觀察到了1D動態結構色，該蟲在鞘翅中表現出顏色隨濕度變化的現象。另一種天然光子晶體是珍貴的蛋白石［5］，蛋白石中發現的周期性微觀結構由直徑為150～350nm的二氧化硅膠體組成，在這種晶體中，無定形二氧化硅膠體納米球的密集區域產生了明亮的顏色，這些膠體球是在高硅質的水池中產生的，在流體靜力和重力的作用下，經過多年的沉淀和壓縮，組裝成高度有序的陣列。圖1.1尖翅藍閃蝶：（a）將乙醇倒在蝴蝶右翼上后，對其進行攝影； （b）蝶翅橫截面的透射電子顯微鏡（TEM）照片；（c）翼鱗橫截面的TEM照片 (b)和(c)的比例尺分別為1.8μm和1.3μm 通過環境刺激引起PC結構光子帶隙發生改變，并發生肉眼可見的結構色變化，從而實現裸眼識別。例如，晶體膠體陣列（crystalline colloidal array，CCA）［6］光子晶體傳感器（圖1.2）就是通過交聯將CCA嵌入水凝膠網絡而形成的，并經過分子識別劑對水凝膠功能化，特定分子識別劑可以與特定分析物相互作用（或者壓敏、熱敏材料受壓受熱等）使水凝膠收縮或溶脹。通過改變CCA間隔，相應地改變了衍射波長和衍射顏色，實現分析識別的功能。 圖1.2（a）由于粒子之間的靜電排斥作用，自組裝的3D CCA，間距約為200nm因此它們會衍射可見光；（b）通過將2D CCA附著到包含功能化識別基團的水凝膠上來形成2D CCA感測材料 這種檢測方式用結構色變化取代傳統的復雜儀器檢測，直接將信號轉換為光學信號。由于光子晶體材料具有很高的靈敏度、選擇性和實時監測能力，因此在生物化學和生物醫學領域［7］備受重視。光子晶體傳感器已用于不同領域，在檢測氣體、壓力、溫度、pH、環境污染物以及生物化學分子等探測領域都體現出較高的應用價值。 1.2光子晶體基本原理 光子晶體可以描述為具有不同介電常數的規則結構，大部分為透明材料的周期性排列，這種排列可以是1D光子晶體、2D光子晶體、3D光子晶體（圖1.3）。通過對材料進行理論設計，使得特定波長的光才能通過這種規則排列的結構。1D光子晶體也被稱為布拉格反射器或布拉格堆疊，它們反射一個特定的波長，是光子晶體的*簡單幾何形狀，其由高折射率層和低折射率層的交替層組成。它們通常通過如逐層沉積、多次旋涂或光刻技術制備。激光干涉光刻技術與鹵化銀化學方法相結合［4］，提供了一種經濟高效的方法來創建具有高衍射效率的可控布拉格堆疊。而旋涂也是較為簡單地制造光子晶體的方法，有研究通過在聚乙烯醇［8］涂覆的聚二甲基硅氧烷（PDMS）片頂部上依次交替旋涂和用紫外線固化高折射率層和低折射率層而制備1D光子晶體膜。現在已經有包含1D光子晶體結構的產品并在長期使用，如防反射涂層、分布式布拉格反射器。2D光子晶體的特征在于其在兩個空間方向上的周期性，其主要是通過復雜的自上而下的方法生產的，如光刻和蝕刻技術，也可利用化學自組裝［5］的方式進行構建，這些研究包括2D膠體晶體陣列的垂直擴散。納米結構的形式、順序、大小和缺陷均可以進行改變，以控制其性能。 圖1.3三種光子晶體的示意圖［9］ （a）1D光子晶體；（b）2D光子晶體；（c）3D光子晶體；不同的深淺程度代表具有不同介電常數的材料 3D光子晶體則是在三個維度上顯示周期性，三維結構的例子是蛋白石和反蛋白石。基于對自然界中精致的分層動態結構的理解，已經開發了幾種“自下而上”和“自上而下”的納米制造方法來制造刺激響應光子晶體［10］。“自上而下”的方法通常使用傳統的微制造方法，如光刻［4］和蝕刻技術。“自上而下”的方法需要復雜且昂貴的激光光學器件和裝置，而且易造成納米粒子光散射、粒子衰減和對記錄介質的損壞。“自下而上”的方法具有效率高、成本低和可擴展的生產優勢，但要精確控制光子晶體結構的尺寸和幾何形狀卻很困難。使用的主要方法是將納米單分散球自組裝成光子晶體主體。Stber工藝為制造二氧化硅基膠體小球開辟了一條途徑，特別是在通過自組裝二氧化硅或二氧化硅基雜化膠體來制造蛋白石結構方面。膠體自組裝主要是由宏觀力或微觀力的協同作用引起的，如液體表面張力、毛細作用力、范德瓦耳斯力、化學鍵、外場（如磁場、重力場、離心立場）等。獲得周期性PBG結構的*有效且運用*多的方法是自組裝技術［5］。與微制造的光學裝置相比，自組裝光學結構有較高的有效性和較低的成本。這種方法利用一種或多種膠體顆粒，這些膠體顆粒在適當的條件下通過定向排列形成周期性的陣列結構，如ZnO和TiO2以及聚合膠體［11］，聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和PS/PMMA衍生的共聚物球［如聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸（P（St-MMA-AA））］。刺激性響應材料經常被加入到光學結構中以使它們的晶格常數、晶體陣列的空間對稱性或折射率發生變化。例如，折射率可變的氧化性材料，如WO3、VO2和BaTiO3已經被用于這些陣列，產生對電場或溫度敏感的光學結構。 自從Yablonovitch和John提出了一些基于折射率（RI）變化的超材料后，人們就致力于這一類材料的研究中。膠體系統由于其特有的性質而被用作設計光子晶體的材料，因此膠體系統在該領域的研究中占有重要地位。由于RI的對比度是光子晶體周期性排列結構中的關鍵問題，因此關于材料的RI引起一些爭議，因為更高RI的材料提供了更好的光子帶隙性能，但同時更高的折射率會造成更大的損耗。 眾所周知，光子晶體是具有光子帶隙特性的材料，可以通過外部刺激進行調諧。為了制造這種材料，刺激-反應機制需要與光子晶體結構耦合。一個關于光子晶體材料設計的關鍵問題是什么會導致光子晶體帶隙的變化。周期陣列的衍射特性可以用布拉格定律描述： mλ=2（nldl+nhdh）（1.1） 式中，m為衍射級；nl和nh分別為低和高折射率材料的折射率；dl和dh分別為兩種低、高RI材料各自的厚度。布拉格堆疊的反射率R取決于RI的對比度和構成堆疊的雙層數（N）： R=n0-ns（nl/nh）2Nn0+ns（nl/nh）2N2（1.2） 式中，n0和ns分別為周圍介質和襯底的RI。 如果假設光子帶隙的中心波長是λ0，那么也可以計算光子阻帶的帶寬Δλ0： Δλ0=4λ0πarcsinnh-nlnh+nl（1.3） 通常，布拉格定律是設計光子晶體材料的原理，從這些方程式可以看出，光子晶體的光學特性取決于折射率對比度、層的數量和厚度以及入射光的角度，厚度和某些波長的反射率可通過某些應變進行調整，而且還取決于整個堆棧的結構和周圍環境介質的特性。光在每個界面處都會被部分折射、反射和透射（圖1.4）。晶格間距和層折射率定義了反射（透射）光束之間在特定波長下的干涉情況，進而定義了PBG的光譜區域。在透明光譜范圍內，折射率通常在n=1.3～1.7范圍內的材料非常適合于感測、發光控制和激射［12］。 圖1.4光的反射、折射和透射（nh>nl） 如果任何外部刺激可以引起任何這些參數的變化，則可以預期光子晶體中光子特性也可以做出相應的變化。現在已經有許多根據介電層的厚度或折射率的可逆變化設計1D響應光子晶體的報道。例如，通過控制激光燒蝕制造用金納米顆粒制成的殼聚糖全息圖在近紅外區檢測葡萄糖［13］的植入式設備。采用了有限元方法對多層結構進行建模和研究，當增加布拉格堆疊中的材料之間的相對折射率時［4］會同時增加反射率和帶寬，并且增加層的厚度會使衍射波長紅移。除了改變布拉格衍射的參數之外，還可以通過引入具有不同光學厚度的缺陷層來破壞周期性結構，通過簡單地構建響應于外部刺激的缺陷層來實現可調諧的光子特性。
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