响应性二维无机周期性微纳阵列的可控制备及化学与生物传感性质研究

Responsive photonic crystals with photonic properties dependent upon external stimuli could be used as photonic crystal sensors, have potential applications in many technologically important fields such as food science, clinical diagnosis, and environmental testing. Refractive index change based two-dimensionally (2D) photonic crystal sensors owns the advantages for easy operation, fast response, and excellent sensing properties, and are considered as promising candidates for scientific research and technical application. However, such 2D photonic crystal sensors still have problems such as complex synthetic approaches, high-cost fabrication, and limited morphologies, which restrict their scientific research and industrial application. This project aimed to use monolayer colloidal crystals as templates, choose simple and facile colloidal chemistry route to fabricate 2D ordered arrays with novel morphologies, and investigate the influences of synthetic conditions on the morphologies of 2D ordered arrays. We will research the photonic crystal sensing properties of these 2D ordered arrays, and achieve excellent performance on refractive index change based chemical and biosensing. This project is important for the investigation of growth mechanism of 2D ordered arrays, and for the relationship between their morphologies and photonic crystal sensing properties, may provide new routes and practical foundations for the designing and fabricating responsive photonic crystal sensors.

响应性光子晶体由于具有刺激响应的光子带隙性质，可以作为光子晶体传感器而实现高效、免标记的化学与生物检测，在食品科学、临床诊断、环境检测等领域具有广阔的应用前景。其中，基于折射率变化的二维光子晶体传感器因其操作简便、响应快、性能优异等优点，具有重要的研究价值与应用潜力，但是仍然存在制备方法复杂、成本高、形貌单一等问题，从而不利于该类传感器的性能研究与应用发展。本项目致力于采用简单、温和的胶体化学合成方法，在单层胶体晶体模板辅助下，可控制备具有新颖形貌与结构的二维无机周期性微纳阵列，考察合成条件对周期性微纳阵列形貌与结构的影响；研究这些二维周期性微纳阵列的光子晶体传感性能，实现基于环境折射率变化的性能优异的化学与生物检测。本项目对于阐明二维周期性微纳阵列的生长机理、揭示其形貌结构与传感性能之间的构效关系具有重要意义,并可为响应性光子晶体传感器的设计合成与应用提供新的思路与实践基础。

胶体晶体是一种由单分散微纳胶体粒子有序组装而成的二维或三维阵列结构，可用作结构化模板来构筑周期性微纳阵列结构，近年来得到了广泛的关注。本项目致力于采用温和的溶液相合成方法，利用胶体粒子的有序组装，构筑微纳复合阵列结构，并研究复合结构的光学性质与其结构的关系，并探讨其光学相关的性质与应用，如化学与生物响应、光电化学、光催化等。一方面，采用胶体晶体作为模板，制备了ATO反蛋白石周期性大孔有序阵列结构，并在其孔隙内可控合成了Fe2O3及TiO2纳米粒子结构，制备了半导体/ATO反蛋白石复合有序阵列结构。通过调节反蛋白石重复周期、半导体纳米粒子形貌等参数，实现了复合有序阵列结构形貌的可控调节，并研究其形貌与光学性质的构效关系。在此基础上，深入研究了这两种复合结构的形貌与光电化学性质之间的关系，并对其机理进行了探讨。另一方面，采用温和的溶液相合成方法，合成了两种锐钛矿TiO2介晶的复合结构。一种为哑铃形的富氧空位全{101}面TiO2介晶，另一种为Ti3+自掺杂 TiO2介晶/g-C3N4纳米片复合结构。通过对其不同时间的形貌进行表征分析，讨论了两种TiO2介晶的生长过程及机理。系统研究发现这些复合结构具有优异的可见光催化性能，并分析了其形貌结构与可见光催化性能之间的关系。本项目的相关研究成果可为新型有序微纳阵列复合结构的设计合成及形貌调控提供一些规律性认识，为实现具有优异光学性质及相关应用的材料制备提供了参考和新的思路。