PMMA蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體的制備及其雙酚A分子印跡光子晶體傳感器的構(gòu)建.pdf

1、雙酚A(Bisphenol A，BPA)是一種環(huán)境類內(nèi)分泌干擾物，又稱環(huán)境激素類物質(zhì)。作為一種廣泛應(yīng)用的化工材料，目前BPA被濫用于生產(chǎn)罐頭內(nèi)包裝、食品包裝材料、牙科填充劑、嬰兒用品等塑料行業(yè)。大量研究證實，若生命成長的關(guān)鍵時期(孕期和出生后的早期)暴露在BPA中，將會導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)，嚴(yán)重影響胎兒和兒童的正常發(fā)育以及生殖功能等。因此，亟需發(fā)展一種高選擇性和高效率性的檢測方法以便于監(jiān)測環(huán)境中的BPA水平。
　　 光子晶體(Phot

2、onic Crystals，PCs)是由兩種以上具有不同折光系數(shù)的材料在空間按照一定的周期順序排列所形成的有序結(jié)構(gòu)材料。它具有尺度為光波長量級的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，通過對這些結(jié)構(gòu)單元的合理設(shè)計，可以調(diào)控PCs的光學(xué)性質(zhì)。這些特性使PCs成為理想的傳感材料，應(yīng)用于化學(xué)和生物傳感器領(lǐng)域。而分子印跡技術(shù)(Molecular Imprinting Technology，MIT)是基于抗原一抗體的識別原理而采用化學(xué)方法合成的高分子聚合物，也被稱為“人工

3、抗體”。同抗體功能相似，MIPs具有選擇性識別目標(biāo)分子或與其結(jié)構(gòu)相近的某一類化合物的能力，同時其化學(xué)性能更為穩(wěn)定。
　　 本文通過聯(lián)用MIT和PCs技術(shù)構(gòu)建三維仿生光子晶體傳感器，以實現(xiàn)對環(huán)境激素類物質(zhì)BPA的檢測。為了成功構(gòu)建該傳感技術(shù)平臺，第一部分：首先進(jìn)行了技術(shù)基礎(chǔ)研究。到目前為止，人們面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何控制微球的粒徑大小及粒徑均一化程度，而粒徑大小固定且均一的微球是制備光子晶體所必須的原材料。在本研究中，通過控制合

4、成時的各個條件成功制備了不同粒徑大小且均一的聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)微球，并分別制備了不同結(jié)構(gòu)色的光子晶體。利用所制備的PMMA納米微球構(gòu)建了刺激響應(yīng)性的聚甲基丙烯酸甲酯光子晶體(Polymethyl methacrylate Photonic Crystals，PMMA PCs)，并系統(tǒng)的研究了合成條件、微球粒徑、光子晶體結(jié)構(gòu)色以及光學(xué)衍射峰之間的關(guān)系，實驗結(jié)果與Bragge法則計算

5、結(jié)果具有良好的一致性。而且，我們對PMMA PCs的刺激響應(yīng)性進(jìn)行了細(xì)致的研究，PMMA PCs對不同環(huán)境因素的刺激響應(yīng)各不相同，刺激響應(yīng)表現(xiàn)為反射峰的位移或者峰強度的變化，這兩種響應(yīng)方式都可以作為評估傳感特性的參數(shù)。這些研究為后面?zhèn)鞲衅鞯某晒?gòu)建奠定了基礎(chǔ)。第二部分：仿生光子晶體傳感器構(gòu)建，通過聯(lián)用分子印跡技術(shù)和光子晶體技術(shù)成功構(gòu)建了分子印跡的蛋白石光子晶體傳感器(Opal Photonic Crystal Sensor，OPCS)，

6、此傳感器能快速、無標(biāo)記的檢測水溶液中痕量BPA。
　　 這兩部分的研究內(nèi)容具體如下：
　　 (1)通過改變合成條件(包括引發(fā)劑的用量，反應(yīng)時間，攪拌速度，單體的用量，交聯(lián)劑的用量)控制合成的PMMA納米微球的粒徑。成功制得不同粒徑的微球，粒徑范圍在150～300 nm，通過反復(fù)離心分散均一微球的粒徑，粒徑偏差在±5nm。再利用垂直沉積自組裝的方法將不同粒徑的PMMA微球分別制備成光子晶體。研究微球粒徑-光子晶體結(jié)構(gòu)色，光

7、學(xué)衍射峰之間的關(guān)系，結(jié)果表明隨著PMMA微球粒徑的增大，制備的光子晶體的反射峰的位置逐漸紅移，結(jié)構(gòu)色也各不相同。結(jié)果與布拉格法則基本一致。同時對光子晶體的刺激響應(yīng)特性展開研究，實驗表明PMMA PCs對環(huán)境pH的變化不敏感；當(dāng)溫度從60℃降低到10℃的時候，光子晶體反射峰強度從130降低到了79；當(dāng)體系的乙醇含量由0增加到100%的時候，光子晶體反射峰峰位置紅移了53 nm。光子晶體對pH，溫度和乙醇敏感性的研究，證明了PMMA PCs

8、對pH不敏感，有助于該種光子晶體在不同pH的溶劑中的應(yīng)用，溫度使PMMA PCs的峰強產(chǎn)生響應(yīng)變化，而乙醇溶劑則使它的峰發(fā)生了位移，這不但說明了PMMA PCs對溫度和乙醇敏感，還證明了峰強和峰位置的變化，都可以做為評估光子晶體敏感特性的參數(shù)。這些研究為我們下一步在構(gòu)建蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體傳感器方面奠定了基礎(chǔ)。
　　 (2)第二部分研究中通過聯(lián)用PCs技術(shù)和MIT，構(gòu)建了分子印跡的蛋白石結(jié)構(gòu)光子晶體傳感器(OPCS)，并用于對水中

9、痕量的BPA進(jìn)行無標(biāo)記的檢測。首先通過無皂乳液聚合的方法到了粒徑為220±5nm BPA印跡的單分散PMMA納米微球，這樣大量的BPA印跡的納米孔穴就分散存在于PMMA微球中。將單分散的PMMA微球制備成光子晶體，再洗脫目標(biāo)分子BPA，就成功制得了分子印跡的OPCS。微球內(nèi)部的高親和力納米空穴能對目標(biāo)分子BPA產(chǎn)生特異性的識別吸附。該傳感器具有三維有序相互交聯(lián)的晶格結(jié)構(gòu)，微球間存在規(guī)則的孔隙，有利于目標(biāo)物分子的進(jìn)入、擴(kuò)散和印跡孔穴對目標(biāo)