基于MOF功能化的一维光子晶体的构建及其传感性能研究

One-dimensional photonic crystal(1DPC) with structural colors is widespread in nature. However, it is a very challenging research subject to prepare such materials with lots of required functions by synthetic methods. Here, we propose the study of fabrication 1DPC-based sensor system with Metal-organic framework (MOF)functional layers according to preliminary results. This sensor system has organically combined both the advantages of MOF and PC.It not only shows the strong structural colour because of the low effective refractive index of MOF, but also possesses the intelligent selectivity thanks to MOF's abundant host-guest chemistry properties. More importantly, the sensor system has the virtue of self-reporting.The thickness of MOF layer and the effective refractive index of MOF will be changed upon environmental stimulation, which leads to spectral shifts in the Bragg diffraction wavelength.So that we can observe the structural colour changing with naked eyes, i.e.self-reporting property. In this proposal, on the one hand, we will develop a novel, simple, effective, and controllable method to build internal functional one-dimensional photonic crystal-based sensor system; on the other hand, this sensor system will be in favor of the fundamental study of molecules adsorption and storage, molecular recognition, structure-function relationships to get in-depth understanding, and also provide valuable information for the construction of other sensing systems.

具有结构颜色的一维光子晶体在自然界中广泛存在，然而，利用合成手段来制备这类材料，并赋予一系列人们所需的功能却是一项极富有挑战性的研究课题。基于已取得的初步研究结果，我们提出了构建基于金属有机框架（MOF）的一维光子晶体传感体系的研究。这一体系有机结合了光子晶体和MOF两者的优点，不仅由于MOF有较小的折射率，而具有鲜亮的结构颜色，而且得益于MOF的丰富的主客体化学性质，具有选择性识别的智能性。更重要的是，MOF受到外界刺激时，其折射率和厚度发生改变，引起光子晶体布拉格衍射峰发生偏移，从而可用裸眼观察到颜色变化，使该体系具有自表达特性。本项目的设立与开展，一方面，探索出一条简单、有效、可控的构建内在功能化一维光子晶体传感体系的新途径；另一方面，这一体系的构建也将有利于分子的吸附与存储，分子识别，结构-功能的关系等基础性问题的研究，以期获得深层次的认识，为其他传感体系的构建提供有价值的信息。

利用合成手段来制备具有结构颜色的一维光子晶体，并赋予其优异的传感性能，实现对客体分子的裸眼检测具有重要的意义。针对此问题，本项目开展了构建基于金属有机框架（MOF）的一维光子晶体传感体系的研究。主要工作有：（1）制备出10种纳米尺度的MOFs，并进行详细表征，制备方法包括超声辅助法、微乳液法、沉淀法、水热法、配体置换法等方法；（2）利用旋涂法制备出7种具有光学平整度的MOFs光学薄膜，并系统研究浓度、旋涂速率和旋涂次数对MOFs光学薄膜光学性质的影响；（3）首次将柔性MOFs引入到一维光子晶体结构中，利用旋涂法成功制备6种基于柔性MOFs的一维光子晶体，系统研究溶剂、光学薄膜层数、浓度对一维光子晶体的影响；（4）研究单层MOFs传感性能。单层NH2-MIL-88B光学薄膜可以通过颜色变化选择性地检测出不同的溶剂，实现可视化裸眼检测。其选择性机理是NH2-MIL-88B在不同的溶剂蒸气氛围中具有不同程度的晶体结构改变。在此基础上，详细研究了6种一维光子晶体对有机溶剂蒸气的传感性能。其对常见溶剂具有传感选择性，而且可用于检测水和乙醇混合溶剂的浓度。光学薄膜具有良好的热稳定性、抗超声破坏和耐久性。并通过改变NMOFs的种类、形状、交替层氧化物的种类和粒径大小等因素来比较器传感性能，探讨其传感机理。（5）构建MOFs光学薄膜传感阵列。其对不同溶剂有独特的指纹响应，对醇类、烷烃类和水有非常好的区分度，可以实现对目标分子的分类识别。（6）制备了发光性的MOFs对有机溶剂蒸汽进行响应研究。本项目成功探索出一条简单、有效、可控的构建内在功能化一维光子晶体传感体系的新途径，为发展高性能裸眼可视传感器打下基础，也为MOFs中的主客体化学及分子识别研究提供一个可视化的平台。在J. Mater. Chem. A, J. Mater. Chem. C等国际期刊上发表期刊论文3篇，申请国家发明专利1项。