（生物医学工程专业论文）光子晶体膜在生物检测中的应用.pdf

目录 的四种基因进行检测。 3 利用反蛋白石膜制备得到了光子晶体编码载体。同时，利用拉伸和双层反蛋白石 膜的方法扩大了光子晶体作为编码载体的编码量。该方法具有制备方法简单，作 为编码信号的反射光谱范围广，编码量大的优点。此外，我们还基于拉伸反蛋白 石膜编码载体，实现了悬浮载体的非标记多元检测。检测中利用反蛋白石膜的反 射光谱可同时对载体的编码信号和杂交信号进行检测。与标记检测相比，本方法 具有实验步骤简单，成本低等优点。 4 开发了一种制备非紧密堆积型二氧化硅光子晶体凝胶薄膜的方法。该方法利用二 氧化硅胶体颗粒的静电排斥作用自组装形成非紧密堆积型二氧化硅光子晶体，用 聚丙烯酰胺高分子水凝胶锁定非紧密堆积型二氧化硅光子晶体的有序结构形成 光子晶体水凝胶。本方法可通过胶体粒子的大小，浓度，水凝胶的浓度等参数来 控制光子晶体水凝胶的反射峰位置。利用具有不同反射光谱的水凝胶光子晶体作 为编码载体的蛋白分子多元检测结果表明，该水凝胶光子晶体作为编码载体能够 准确地对不同种类的探针分子进行编码。 关键词：夹心结构；光子晶体膜；水凝胶薄膜；多元生物分析：非标记检测 i l 英文摘要 p h o t o ni cf i l m sa p p l i e di nb i o a s s a y a b s t r a c t m u l t i p l e xt e c h n o l o g yc a na n a l y z et h ei n t e r a c t i o n so ft h o u s a n dk i n d so f b i o m o l e c u l e si n p a r a l l e l t h ep r i n c i p l el i e s i nt h a td i f f e r e n tk i n d so fb i o m o l e c u l e sa r em a r k e db yd i f f e r e n t c a r r i e r so rl a b e l s ，w h i c hi sc a l l e db i o m o l e c u l a re n c o d i n g c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l s i n g l ea n a l y s i st e c h n o l o g y , m u l t i p l e xt e c h n o l o g y c o n s u m el e s st i m e ，s a m p l ea n d c o s tb ya n a l y z i n gl o t so fk i n d so ft a r g e t sw i t h i nt h es a m es a m p l e u pt on o w , t h ee n c o d i n g s t r a t e g i e sd e v e l o p e df r o mf i x e dc a r r i e r ss u c ha sg l a s ss l i d e su s e di ng e n ec h i pt ok i n d so f f l u i d i cc a r r i e r ss u c ha sb e a d sa n db a r c o d e s ，a m o n gw h i c ht h eo p t i c a le n c o d i n gs t r a t e g i e sa r e t h em o s t l yu s e dm e t h o d sb e c a u s eo ft h e i rs i m p l i c i t yi no p e r a t i o na n dd e c o d i n g b u tt h e m o s t l yu s e de n c o d i n ge l e m e n ti no p t i c a le n c o d i n gi sf l u o r e s c e n c e ，w h i c hc o m e sf r o mt h e m a t e r i a lc h e m i c a ls t r u c t u r ea n di sn o ts t a b l e t h ee n c o d i n gc a p a c i t ya n dd e c o d i n go f f l u o r e s c e n c el i m i tt h e i ra p p l i c a t i o n s h e n c e ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nan e we n c o d i n gm e t h o df o r b i o m o l e e u l a rc a r r i e r sb a s e do np h o t o n i cc r y s t a ln a n o m a t e r i a li sp r o p o s e d ，o fw h i c ht h e f a b r i c a t i o na n da p p l i c a t i o na r es t u d i e da sb e l o w 1 e n c o d e dc a r r i e r sw i t hp d m s p h o t o n i cc r y s t a l p d m ss a n d w i c hs t r u c t u r ew e r e f a b r i c a t e d ，w h i c hc o u l db eu s e df o rm u l t i p l e xb i o a s s a y p h o t o n i cc r y s t a lf i l mw a sd e r i v e d b ys e l f - a s s e m b l i n gm o n o d i s p e r s ep o l y s t y r e n en a n o p a r t i c l e s d e t e c t i o no ft h r e ek i n d so f g e n e so fe e o l iw a sd e m o n s t r a t e d 晰t ht h eu s eo f t h ec a r r i e r s ：t h r e ee n c o d e dc a r r i e r sw e r e f i r s t l yi m m o b i l i z e dw i t hd i f f e r e n tn u c l e i ca c i dp r o b e s t h e nt h en u c l e i ca c i dp r o b e so n c a r r i e r sw e r eh y b r i d i z e di nt h eb u f f e rc o n t a i n i n gt a r g e tm o l e c u l e st a g g e dw i t hf l u o r e s c e n t m o l e c u l e s a f t e rh y b r i d i z a t i o nt h et a r g e tm o l e c u l e sw e r ed e t e c t e db yf l u o r e s c e n c ea n d t h ec o d eo ft h ec a r r i e r sw e r ei d e n t i f i e db yt h er e f l e c t i o ns p e c t r a e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o w e dt h a tp d m s p h o t o n i cc r y s t a l p d m ss a n d w i c hs t r u c t u r ew a sag o o da p p r o a c hf o r t h ec o n s t r u c t i o no ft h es u s p e n d e dc a r r i e r s 2 t r a d i t i o ns t r a t e g yf o r t h ei d e n t i f i c a t i o no fec o l io 15 7 ：h 7i ss l o wa n dt i m e c o n s u m i n g u s u a l l y , s e v e r a ld a y so re v e ns e v e r a lw e e k sa l en e e d e dt oc o n f i r mt h ef e c a l s a m p l e r e c e n t l y , a n a l y t i c a lm e t h o db a s e do np c r w a sd e v e l o p e df o rt h ed e t e c t i o no fe c o l io15 7 ：h 7 i nt h i ss t u d y , w eu s e dp d m s c o l l i d a lc r y s t a l p d m ss a n d w i c hf i l m sa s i t l 东南大学博士学位论文 t h ee n c o d e dc a r r i e r sf o rm u l t i p l e xd e t e c t i o no ft h ed n ao fec o l i0 15 7 ：h 7 c o n d i t i o n s s u c ha si m m o b i l i z a t i o no f b i o m o l e c u l e sw e r eo p t i m i z e d 3 s t r e t c h e di n v e r s eo p a lf i l mw i t hi n t e r p e n e t r a t i n gp o r o u ss t r u c t u r ew a sp r o p o s e dt o c o n s t r u c ts u s p e n s i o na r r a yf o r t h el a b e l f r e eh i 曲t h r o u g h p u tb i o a s s a yw i t h 喇d ed e t e c t i o n r a n g e al a r g ec a p a c i t yo fe o d en u m b e rw a sr e a l i z e db yt h ec o m b i n a t i o no fs t r e t c h i n ga n d f i l ms t a c k i n g a st h er e f l e c t i o np e a ko fs t r e t c h e di n v e r s eo p a l ，w h i c hw a su t i l i z e df o r c a r t i e re n c o d i n g ，s h i f t e dw h e nb i o m o l e c u l e sa d s o r b e do ni t sp o r es u r f a c e ，c a r r i e r i d e n t i f i c a t i o na n db i o m o l e c u l ed e t e c t i o na r ea ss i m p l ef i t sao n e s t e pm e a s u r e m e n to fl i g h t r e f l e c t i o n 4 am e t h o dw a sd e v e l o p e dt of a b r i c a t ep h o t o n i cc r y s t a lp o l y m e rf i l m sb yt a k i n g a d v a n t a g eo ft h es e l f - a s s e m b l i n gp r o c e s so fs i l i c as p h e r e r st of o r mn o n - c l o s e ? a c k e d s t r u c t u r et h r o u g hs a t i s t i c r e p u l s i v ef o r c e e i t h e rc h a n g eo ft h es p h e r e s i z ea n d c o n c e n t r a t i o nc a nb r i n gas h i f to fr e f l e c t i o np e a ka n dt h u sc h a n g et h ec o d eo fc a r r i e r s w e u s e dt h ep h o t o n i cc r y s t a lf i l m sw i t hd i f f e r e n tr e f l e c t i o np e a k sa se n c o d ec a r r i e r sf o rt h e m u t i p l e xb i o a s s a yo fp r o t e i n s e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a tt h i sk i n do fc a r r i e ri s s u i t a b l ef o rl a b e l i n gm u l t i p l e xd e t e c t i o n k e yw o r d s ：s a n d w i c hs t r u c t u r e ；p h o t o n i cc r y s t a lf i l m ；h y d r o g e lf i l m ；m u t i p l e x b i o a s s a y ；l a b e l f r e ed e t e c t i o n i v 目录 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 样日期：蝴 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 e t 期：m 7 罗彳 第一帝绪皓 1 1 光子晶体与生物分析 i 1 i 光子晶体的概念与特征 第一章绪论 1 9 8 7 年，y a b l o n o v i t c h ”j 和j o h n l 2 1 分别在讨埝周期性电介质结构对材料中光传播 行为的影响时独立提出了光予晶体( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 的概念：具有光予带隙的周 期性电介质结构【l 2 l 。这种介电常数呈用期性分布的微结构材料可以像半导体对电子那 样控制光子的f 播，并且是像品体一样山某一个基本单元按一定周期规律排列组成的有 序结构，所以被称为光子品体。在光子晶体中由于介电常数存在空州上的周期性，电 磁波在其中传播时会受到由电介质构成的周期势场的调制，从而形成类似于半导体能带 结构的光子能带。光予能带之问如果没有重叠就会形成光子带隙。频率落在带隙中的 光子无法在光子品体中传播，所以光子品体又被称为光予禁带材料。因此，光子禁带是 光子晶体的最根本特征。 光子能隙不仅与光子能量有关，而且与光波的传播方向有关。光子能隙分为完全 能隙与不完全能隙。所谓完全能隙，是指在空问的各个方向上都有能隙，并且每个方向 上的能隙都在某个频率范围重叠：不完全能隙，是指能隙只出现在某些特定的方向上。 根据介电常数周期性排列的方向，通常将光子晶体分为l 维( i d ) 、2 维( 2 d ) 和3 维 ( 3 d ) 光子晶体( 图卜1 ) 。光子局域是光子晶体的只一个重要特征。在光予晶体中引 入杂质或缺陷，将在光子带隙中产生相应的缺陷能级，在带隙中将出现局域态。这种缺 陷膜形成的局域态给光学领域带来了全新的应用，例如通过在光予晶体中引入点缺陷来 制造高品质因数的微谐振腔等。 图卜1 光子品体的维数 东南太学博士学位论文 1 i 2 光子晶体的制备 在自然界中，伟大的造物主早就“制备”出了各种各样的光子晶体如一种珍贵 的蛋白石( 亦称为欧帕，o p a l ) 宝石、蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛、海鼠的毛等( 图卜2 ) 。 电子显微镜揭示它们由一些周期性微结构组成，由于在不同的方向不同频率的光被散射 和透射不一样呈现出美丽的色彩。 图卜2 从左到右分别为海老鼠刚毛、孔雀羽毛、大田蝶翅膀和象鼻虫外壳的照片和他们对应 的有序微结构s 酬图像 相比于大自然精巧的手段，人类的手艺要拙劣得多。到现在为止，发展起来的制 备光子晶体有两类方法：“自上而下”( t o p - - d o w n ) 方法和“自下而上”( b o t t o m - - u p ) 方法。早期制各光子晶体采用的是“自上而下”的方法，如y a b l o n o v i t c h 等最早采用 微加工技术制作出第一个具有全方位光子带隙的结构。后来发展了由微电子技术中的电 子芯片制造技术演化而来的平板印刷( 1 i t h o g r a p h y ) 与刻蚀( e t c h i n g ) 技术等。随着 近几年纳米制造技术的发展又发展用多重相干激光柬的全息平板印刷法( h o l o g r a p h i c 1 i t h o g r a p h y ) 口 1 和激光引导的立体平板印刷法( s t e r e o l i t h o g r a p h y ) 【5 】等，并且受 到人们的广泛关注睢。制作光学波段的光子晶体另外常用的技术是胶体颗粒的自组 织生长1 8 】“自下而上”的方法。这种通过胶体颗粒自组装制备的人造蛋白石结构园其过 程简单费用低廉而在光子晶体研究方面有着重要的潜在意义。但是它也有一些缺点，如 制得的光子晶体机械强度较低，缺陷难以控制等。还有一种方法是通过原型化合物层层 生长成特定的图案来得到三维介观结构。如n o d a 等人适用v l s i ( v e r yl a r g e 2 第一章绪论 s c a l e i n t e g r a t i o n ) 方法层层生长得到近红外的半导体完全带隙光子晶体，可以方便的 控制其结构，但是步骤多，成本较高刚0 1 。嵌段共聚物( b c p ) 也可以自组装成多种1 d 、 2 d 、3 d 周期结构作为一类新的光子晶体材料，且可选择性掺入一定的添加物，从不相 混溶的一对均聚物自组装得到的高分子量b c p 获得2 d 柱状区域和3 d 体心立方堆积的球 形区域。现在人们已经开始尝试将“自上而下 和“自下而上 两种途径有机结合起来， 制备多种结构的光子晶体【1 1 】。 1 1 。3 光子晶体的应用 由于光子晶体具有独特的光学性质，可以制作全新原理或以前所不能制作的高性 能器件，具有十分重要的应用价值。1 9 9 9 年1 2 月1 7 日，美国科学杂志将其列为 1 9 9 9 年的十大科学进展之一，并将光子晶体列为未来的六大研究热点之一。光子晶体 在以下领域有广泛应用： l 高效率低损耗反射镜和光子晶体天线 1 2 , 1 3 】 2 光子晶体微谐振腔1 4 1 3 高效率发光二极管和低阈值激光振荡f 1 5 ，1 6 】 4 宽带带阻滤波器和极窄带选波滤波器【1 7 ，1 9 】 5 光子晶体波导和光纤1 9 2 0 ，2 1 j 6 非线性光子晶体器件2 2 1 7 光子晶体编码与传感【2 3 ，2 4 1 1 1 4 胶体光子晶体 1 1 4 1 胶体晶体的概念 胶体晶体( c o l l o i d a lc r y s t a l s ) 是由一种或多种单分散的胶体颗粒( 无机或有机， 尺度在微米或亚微米级) 组装形成具有二维或三维有序结构的一类物质。胶体晶体在结 构上类似于与普通晶体，不同的是占据每个晶格点的是具有较大尺度的胶粒。t l 然界中 东南犬学博学俺论文 的具有绚丽颜色的蛋白石( o p a l ) 就是由单分散二氧化硅球形颗粒( 直径1 5 0 4 0 0 n m ) 密 堆积成的胶体晶体瞄l 。由于二氧化硅颗粒本身没有颜色，这里的颜色产生于周期排列的 二氧化硅颗粒对可见光的布拉格衍射，这种颜色也称为结构色。由于胶体晶体与光子晶 体的密切关系，近年来光子晶体的广泛深入研究极大地激发了科学家对胶体晶体的研究 兴趣，并基于胶体晶体开辟出一条“自下而上”的光子晶体制各途径。它从根本上改变 传统光子晶体的制蔷方法，使制作大尺寸的足够小的不同电介质材料的点阵结构成为可 能，而且有着自身得天独厚的优势。其一，胶体晶体本身就是两种介质( 胶体粒子和间 隙的填充物) 在空间上的三维点阵，通过改变胶体粒予的种类、粒径可方便地调节点阵 的介电常数和周期。其二，以胶体晶体为模板所制各的有序多孔结构也是两种介质( 孔 壁和孔材料) 在空间上的的三维点阵，帽比而言可以更方便地调节点阵的介电常数，尤 其是得到高的孔壁和孔材料在介电常数上的差异以及宽的介电常数调制区间，从而形成 宽禁带、禁带可控和完全禁带的光子晶体。其三，可以由多种胶体颗粒组装成超晶格材 料，拓宽了以胶体晶体制各光子带隙材料的范围。 目前人们已经能够合成多种多样的胶体晶体( 蛋白石) 以及以胶体晶体为模板 制备的多种多样的反蛋白石结构。图卜3 分别给出了典型的二氧化硅胶体晶体跚、聚苯 乙烯( p s ) 二元胶体晶体鲫和镍反蛋白石【2 8 l 的扫描电镜( s 脚) 照片。 b 图卜3 ( a ) 二氧化硅胶体晶体( b ) 4 6 0 n m 和2 3 0 n = 聚苯乙烯球形胶粒协同纽装而成的二元腔 体晶体( c ) 以3 5 3 n m z 氧化硅胶体晶体为模板制得的铱反蛋白石 i i 4 2 胶体晶体的制各 利用单分散微米或砸微米颖粒在特定条件下可以组装合成出具有密堆积结构的二 维或三维胶体晶体。形成胶体晶体的单分放粒子可阻分为有机和无机两类，有机粒子常 用的主要有聚苯乙烯( 1 ) s ) 、聚甲摹丙烯酸甲酯( p 槲 ) ，无机粒子最常用的是s i o , 粒子。 最初沉积、离心年几过滤等方法被用来制备胶体晶体，但足用这些方法得到的胶体晶体 缺陷较多，而r 结构均一性难以控制从而影响到胶体晶体在各方面的应用。因而开发 能够制备面议大、缺陷少、结构均一可控的胶体晶体的方法是使胶体光子品体能够实际 席用于需要解决的关键问题。 n a g a y a r n 肄f 2 ”率先提出了垂直沉积法制各胶体品体，得到了结构较好的p s 胶体 晶体。该方法的原理如图卜4 所示，被润湿的基片垂直插入胶体粒子溶液中后，在基片 上会形成一个弯液面，随着弯液面里的溶液不断地蒸发，胶体粒子之问相互作用的毛细 管力驱使粒子存基片一空气一溶剂界面致密持列成品体结构。同时，弯液面周围的溶液 爿；断地流入带动胶体粒子进入这个晶体生长区作为补充，从而品体逐渐长大。通过调整 胶体溶液的浓度可以实现不同厚度的胶体一蛄体。j i a n g 等p ”埘该方法进行了系统深入的 研究，他们指出垂直沉积法组装胶体粒子是毛细管力和表面张力的共同作用的结粜，实 质在于溶剂蒸发速度与粒予沉积速度的竞争。对于粒径较大( 5 0 0n m ) 、密度较大( s i 仉) 的胶体颗粒，粒子的沉降速度就会大干溶剂的蒸发速度，从而不能得到胶体品体。同时， 由于沉积在拱片上的粒子所占溶液中的粒子总最较少，溶剂的蒸发会导致溶液的浓度变 化，使得胶体晶体沿生长方向的厚度发生变化。p a r k 等p ”在此基础上提出通过倾斜玻 片，利用倾斜角度米调制胶体晶体的厚度，其厚度随着倾斜角度增大而增大。 圈l 一4 垂直沉积法原理示意图 5 墨塑查兰堕主芏些兰壅 为了解决大粒子沉降过快的问题，n o r r i s 等【2 q 利用容器顶部和底部的温度梯度在 胶体粒子溶液中产生一个连续的对流，从而降低沉降因素的影响，同时也可以在一定程 度上消除浓度梯度的影响，获得了以粒径为8 5 5 n m 的s i 仉颗粒组装成的胶体晶体膜，其 缺陷远少于重力沉降法所得到的胶体晶体，而且单品范围也比重力沉降法大1 0 1 0 0 倍，可咀达到毫米尺度。o z i n 等吲也提出了一种利用温度改进方法，称之为“恒温快 速蒸发自组装法( i s o t h e r m a lh e a t i n ge v a p o r a t i o n i n d u c e ds e l f a s s e m b l ym e t h o d ， i h e i s a ) ”( 如图卜5 所示) 。他们把装有一定浓度的胶体粒子的乙醇溶液的玻璃瓶置于 恒温加热器中，设置恒温加热器的温度稍高于乙醇沸点，使得玻璃瓶中的乙醇可以产生 对流却又不沸腾。在中间插入玻片后对流模式仍然被最大程度地保留了下来，乙醇带动 胶体粒子顺着玻璃瓶壁上升，然后在中心处下降，有效地阻止了胶体粒子的沉降，又不 影响弯月面从而在玻璃一空气一乙醇界面排列成胶体晶体。该方法可以在较短时间内 得到大面积高质量的胶体晶体，但关键是需要保持恒温条件，温度偏差越小越好。一般 要在士0 i 。c 以内。 图卜5 恒温快速蒸发自组装法示意图 g u 等m 1 提出了一种以提拉基片代替单纯依靠溶剂蒸发自组装制备胶体晶体的方 法，并开发了相应的装甓，如图卜6 所示。清洗过的基片夹在样品台上后垂直浸浈到一 定浓度的胶体溶液中，由计算机驱动马达提升样品台使基片逐渐从胶体溶液中拉出，胶 体粒子便在三相界面处生长 胶体品体膜，提拉的速度和长度等参数均可由计算机设 6 第一评纬论 簧。 图卜6 提拉法制薪胶体品体膜示意凹 由于提拉基片的速度一般要远大于溶剂的蒸发速度，所以在提拉过程中胶体溶液 的浓度变化很小，几乎可以完全消除浓度梯度的影响，能够得到大面积厚度均一的商质 盘的胶体晶体膜如图卜7 所示，并且厚度可以很容易的由提拉速度控制。同时，以一定 的速度提升基片可吼在一定程度上抵消大粒子沉降过快造成的影响。 圈卜7 提拉法制得的胶体品伴膜数码j ( 【片 p a r k 等l ”1 在此基础上提出了双基片提拉法，他们分* 在底座和样品台上固定一片 基片并使之水平相对，中间留出i o o u m 的问隙注入胶体粒子溶液，以不同的速度提拉便 可得到二维或三维胶体品体( 如图l 一8 ) 。这种方法在制备过程中只需要用到极少的胶 7 自 孝辨- l 学位论文 体粒子溶液，而且耗时更短，更有利于降低大粒子沉降过快造成的影响。 图卜8 双基片制备胶体晶体示意图 z h a o 等”提出了一种本质与提拉法相同，实现方式却相反的方法，即流动控制垂 直沉积法( f l o w - c o n t r o l l e dv e r t i c a ld e p o s i t i o nm e t h o d ，l 屯v l ) 。这种方法通过从 容器底部抽取胶体粒子溶液来控制液面下降从而在三相界面生长胶体晶体。相对于提拉 法，前者是通过基片的上升进行胶体粒子组装而后者则是利用液面的下降来组装腔体粒 子。相比而言，这种方法更具优势，主要在于渡面的下降速度可由容器的横截面积和泵 的流速共同调节，比电机调节的范围更宽精度更细，而且能够更容易的减少震动。 图卜9 流动控制垂直沉积j 杰示意圈 8 镕一章绪 此外，还有一些非常规的制各方法例如c h a n 等p 6 1 人通过热处理在胶体粒子溶液 气液界而自纽装得到了厚度可控的无支撑胶体品体。舶等口”采用在宅气水空气的界 面上自纽装的方法，制备了超过数平方毫米的平坦并目可以弯曲的无支撑胶体晶体膜， 制得的胶体品体膜几乎没有裂缝删时还得到了一种新的立方堆积结构一由线缺陷有规 律分开的条形立方密堆积结构。还有利用电、磁等外场控制胶体粒子的组装，用于制备 具有特定结构的胶体晶体以及对晶体的结构进行调制。 在胶体光子晶体的一些实际应用i j ，需要把胶体品体做成特定形状或图案。日前， 硬模板法是胶体品体图案化的主要途径之一。早在1 9 9 7 年，v a nb l a a d e r e n 等口8 】就以 用案化的聚r i 壮丙烯酸甲酯( p m w a ) 基底为模扳，通过“胶体外延”生长的方法制备了 生长取向可控的s m 胶体晶体。o z i l 3 等口9 l 提出了一种比较快速的图案化胶体品体的物 理模板法。这种力法首先把平整的p 9 h i s 模扳和表面构造有v 形凹槽图案的硅基底形成 紧密接触，在p d m s 模板和硅表面之f l j 形成微淘槽。然后将胶体微球溶液滴在界丽上， 于是胶体微球在毛细力的作用下进入沟槽井形成具有特定厚度、面积、取向和品格结构 的胶体品体。引人注目的是，x i a 等l 帅。发展了一种图案化胶体品体的新方法“模板协 助自组装方法”( t e m p l a t e a s s l s t e ds e l f - a s s e m b l y ，t a s a ) 。他们利用各种具有特定图 案的凹槽结构的平面基底为模板，通过胶体分敞液的流动沉积，在毛细力、重力和微球 阃的静电力协同作用下使胶体微球选择性地沉积到凹槽中，制各出一系列具有复杂结构 的胶体晶体( 图卜l0 ) 。 ；oo oo oo oo oo t - 暖_ r 詈 oo oo oo oo oo o9 图1 - 1 0 圜案化表嘶模扳法组装复杂股体晶体结构 一令$嚣蕊_漓雕雕弧器 盘铽氍妊器强h潍懿聪麟艘罐潮雠嚣 睡礤f融隧一戳 东南大学博学位论文 y a n g 等利用玻璃纤维作为模板通过提拉法在其表面组装得到管状的胶1 5 , 1 晶$ 并可以以此为模板得到实心或中空的管状反蛋白石结构( 图卜1 1 ) ，有望在光子晶体光 纤、催化、膜反应堆以及膜分离等方面得到应用。 图卜1 1 以玻璃纤维为模板制备管状胶体晶体 还有一类是软模板技术。y a n g 等以软刻技术为基础。发展了一种微接触印刷技术： 胶体晶体图案化技术。他们以覆盖在p d t v , s 模板表面的胶体微球为“墨水”，采用涂在固 体基底上的聚合物膜层作“胶水”，并且借助于p i r i s 模板的可溶胀和可拉伸的特性，在 微接触印刷过程中通过改变p d m s 模板的宏观尺寸来改变二维胶体晶的晶格结构。实现 了图案化二维胶件晶体t 3 9 l 和非密堆积结构二维胶体晶体嗍的制各( 图卜1 2 ) 。 图卜1 2 徽接触印9 0 技术图案化非密堆积结构二维胶件晶体 l o 第一章绪论 以乳状液的液滴作为模板来进行胶体粒子的自组装构成了另炎典型的软模板 法，组装方式通常有两种：一种是将胶体颗粒吸附于液滴袭埘，另一种是将胶体颗粒包 裹于液滴内部。d i n s m o r e 等【4 川通过胶体粒子在乳状液滴裘面的吸附制各得到了由单层 胶体粒子密堆积而成的、具有可控通透性的球形胶囊( 罔卜1 3 ) 。该方法巾首先在剪切 作用一f n 备m 一种油( 或水) 在另一种与之= = l = = 相混溶且分敞有胶体颗粒的水( 或油) 巾形 成的0 w 型( 或w 0 诅) 乳状液，胶体颗粒自发吸附于液滴表面以降低体系总的表面能。 待胶体颗粒在液滴袭面形成一层紧密堆积的球壳后，加入高分子稳定剂或进行适当的加 热烧结以使球壳保持稳定。撮后用离心方法将液滴转移到与乳状液外相液体不相混溶的 油( 或水) 之中干燥后即可得到由胶体粒子密堆成的球形胶囊。w a n g 等”利用该方法 制备了由磁性纳米粒_ 了组装而成的磁性胶囊。 p i n e 等【4 ”研究了当胶体微球液滴中含有有限数目( 2 1 5 ) 个微球时聚集形成微球 团簇的堆积结构，并讨论物理空间限制对微球团簇结构对称性的影响。他们将溶胀的交 联p s 微球分散于甲苯中，再将该分敝液作为内相分散于水中彤成( 泖型乳状液滴，每 个液滴含有n 个胶体微球月附着于液滴袭丽。液滴的体积随着甲苯的蒸发而逐渐收缩， 形成的挤压作用驱动胶体微球形成紧密堆积结构。当n 1 1 时彤成的微球团簇呈现为 具有特定对称性的多面体几何构型。m a s u d a 等 4 6 1 利用内水相中包含有二氧化硅胶粒的 w o 型乳状液在网案化的平面自组装膜上进行沉积得到i = f 微球团簇或球形微球聚集体 有序排列而成的高级有序结构。 豳卜1 3 乳状液模扳洼组装球壳状腔体晶体结构 东南大学博| ：学位论文 图卜1 4 胺体液滴模板法组装球形胶体晶体结构 此外，g u 等闻利用亲疏水作用来控制胶体徽球在基片表面的选择性沉积得到了图案他 的胶体晶体。他们首先在基底上包被一层t i o = 薄膜再以氟硅烷修饰为疏水表面e 然后覆 上有图案的掩模板用紫外光照射，基片上紫外光照射到的区域变成亲水表面，而未照射 到的部分仍为疏水表面。最后利用提拉法使胶体微球选择性的沉积在亲水区域，得到图 案化的胶体晶体( 图卜1 5 ) 。重复步骤还可以进一步再次选择性沉积胶体粒子，得到复 合的胶体晶体图案。类似的，y a n g 等m 荆用微接触技术在基片上构造疏水分子层图案， 氍在其上吸附油性液滴使胶体粒子在基片上组装成膜时引入空穴得到了半球形空穴阵 列和线性阵列。m a r l o w 等“”采用在由两片特定形状的玻片叠在一起形成的微腔中依次 注入一定量的各种胶体粒子溶液，利用毛细作用力使胶体粒子组装成交替的胶体晶体 带。胶体晶体带的形状由微腔的形状来决定，带的宽度可由每次注入的胶体粒子的量控 制。 1 , 1 4 3 肢体光子晶体的应用 胶体晶体或以其为模板制各的反结构具有光子晶体的特殊性质，在光学器件、传 感等领域有着重要的应用。x i a 等5 1 将聚二甲基硅氧烷( p d m s ) 填充到p s 胶体晶体 的空隙中并聚合得到了具有橡胶柔性的胶体光予晶体。在溶剂( 乙醇) 的浸泡下，p d m s 1 2 第一章缩论 发生溶胀改变了胶体粒了的i i i j 距，使腔体光子品体的光子祭带改变的同时，颜色也发生 了变化，从而发展出一种新型的光子纸( 图卜1 6 ) 。 陶卜1 5 亲疏水作用控制胶体微球选择性沉积图案化的胶体晶体 幽i 一1 6 光予纸的显示机理和通过潜胀方法在胶休光子品体上书写的文字 南女 * 士 i 加拿太多伦多大学o z i n 课题组刚基于光子胶体晶体开发了采用p - i ( p h o t o n i c i n k ，光墨水) 技术的电子纸( e p a p e r ) ( 图卜1 7 ) 。他们在s i o t 胶体晶体的空隙中填 充一种会导电的聚合物胶，并浸泡在溶剂中。通过改变施加的电压便可平滑地改变聚合 物被溶胀的程度，从而改变胶体微球之间的距离，进而改变胶体光子晶体的颜色。这种 新式电子墨水有望应用在画面可卷动的电子报纸。 囝卜1 7p - i n k 电子纸的显示机理及显示效果 f u l u m i 等5 3 1 报道了在p d m s 填充的| l 雯体光子晶体中植入一层染料构成面缺陷，并 使染料的反射峰落在光子晶体的禁带中，制备出柔性的光子晶体激光器( 图卜1 8 ) 。以 短波长的激光照射胶体晶体激光嚣薄膜，当激光的强度超过阈值时，便会发射出长波长 的激光，半峰宽仅有01 7 n m 。这种激光器具有闷值低等优点，而且由于复合有p d m s ， 具有橡胶的柔性，能够任意弯曲，是下一代新型激光器的发展方向。 圈1 - 1 8 秉性的胶体光子晶体激光器 1 4 * 一m 锚* 在传感器方i l i i ，胶体光子品体的应用也极其广泛。t s u t s u i 等恻i 报道_ i js i o , 胶体 晶体作模扳制蔷了p m m a 三维有序多孔材料，利h j 其晶面间距和颜色因材料拉伸丽变化， 可用作拉敏传感器。o z i n 课题组在此基础上制各出反蛋白石结构的雅烷基甲基丙烯 酸酯弹性体光子品体，设计了一种具有压力响应特性的、并且能够分辨真实和仿造指纹 的指纹记录系统( 图卜1 9 ) 。 9 反蛋白石鲇构的聚烷基甲基丙烯酸酯弹性体光子晶体用于指纹识别 而l l e l l m a n n 等人l 删的出色工作使胶体光干品体在拉敏传感器方面的应用更加容 易简便。他们合成一种刚性内核而壳为柔性的核壳结构的单分散胶体微球，把它们组装 成胶体光子晶体后再使壳层融合形成致密的非密堆积弛胶体光子晶体。在机械力的作 用下胶体微球的间距发生改变，由于1 3 目e 改变的程度与机械力的大小相关，所以从颜色 的变化便可直观地撼知到力的大小( 图卜2 0 ) 。 幽卜2 0 棱壳结构腔体微球构筑胶体光子晶体拉被传感器 i5 东南大学博士学位论文 a s h e r 课题组在基于水凝胶胶体光子晶体方面做了很多开创性的工作。他们利用 静电力作用使高浓度的胶体晶体粒子有序分散在丙烯酰胺、丙烯酸或其它功能单体溶液 中，通过聚合交联形成凝胶网络，制各了能对外界刺激产生颜色响应的智能水凝胶型胶 体光子晶体。通过改变水凝胶的成分或修饰不同的功能基团，他们设计出分别能对温度、 p h 、金属离子、生物分子等产生特异性响应的水凝胶胶体光子晶体，并且具有较高的灵 敏度。例如，在水凝胶体系引入对铅离子( p b 2 + ) 敏感的冠醚为侧基的聚丙烯酰胺，该水 凝胶胶体晶体的特征反射峰会随铅离子浓度而变化，可用作铅离子传感裂5 7 】；若引入 温敏功能单体- 异丙基丙烯酰胺，则所形成的水凝胶胶体晶体的特征反射峰会随温度 而变化，可用作温度传感器。 1 2 生物分子编码载体 生命体内近乎所有的生物过程都以生物分子的相互作用为基础，因此在基因组时 代和后基因组时代生物技术面临的一个主要的挑战就是发展能够监控生物过程并系统 获取生物分子相互作用信息的新方法。微阵列型生物芯片技术应运而生，它是分子生物 学和i t 行业成功融合的结果，采用了微电子学的并行处理和高密度集成的概念，可同时 分析成千上万种生物分子，具有高通量、高灵敏度和并行检测的特点，在基因序列和蛋 白质功能分析中占据着极其重要的地位。通常，微阵列生物芯片是将所有的探针分子分 别置于相互隔离的多孔板和微试管中，或者将他们固定在玻璃基片上形成微阵列( 典型 的如微阵列型基因芯片，图1 - 2 0 ) ，利用基片或者微孔板上的二维( x ，y ) 坐标位置来 编码不同的生物探针分子。但是生物探针分子的这种编码其位置或者坐标必须是固定 的，靶分子要到达探针分子位置并与之反应受扩散速度的限制，因此这会影响靶分子和 探针分子的反应速度，令检测时间延长，有的甚至需要一天的时间。 基于流动载体的生物分子编码检测是一种新型的高通量快速检测方法，它的位置 可以随意改变，也就是说当编码载体在溶液中任意运动时如被搅拌时其编码信号不变。 由于它不像固定载体那样需要靶分子扩散到探针分子的位置才能发生分子问的相互作 用，而更具有“主动性”，因此可以大大缩短反应的时间。同时流动载体一般具有更大的 比表面积，提高了反应的灵敏度，还降低了反应所需要的样品量。因此流动载体自出现 之后就受到了广泛关注，其研究与应用也越来越热门。基于流动载体的生物分子多元检 测的项关键技术是流动载体的编码。目前出现的编码方式多种多样，比较典型的概括 为以下几种： 1 6 1 2 1 组合化学编码法 圈l - 2 l 基田馓阵列表面由坐标佗援编码 b r e n n e r 和l e n e r 等罐早提出用编码组台化学的概念，提出了一种使用交瞢平行 合成法来合成组台库的方法 s s l 通过寡核苷酸序列编码合成的过程，在库台威过程中， 每当新的单体被连接到固相上的同时，橡树脂上接一l 一个用以编码浚单体的寡核营酸分 子来反映这一事件。随着常规的混台均分法构建起的化合物库的增大，寡核苷酸标签分 子长度也平行增长。随后从筛选结果中挑出带有阳性的微球，利用聚台酶链式反应( p c r ) 扩增微球上的编码寡核昔酸，再对寡核督酸测序，就可以判断微球上连接的| 婀性化台物 分子构成。 圈卜2 2 编码组台成( 、b 、c 为组台单体a 、b 、c 标签分于) 查堕盔兰堡主堂丝堕兰 其他的组合化学编码还包括寡核昔酸标签，多肚标签、卤代烃标签、二级胺标签、 二烃基胺标签以及其衍生出的质谱，x 射线和红外拉曼光谱等标签编码方法 5 9 1 0 这些 方法各有其优点，但是每种方法都有其限定的应用范围，而且应用中还会受到诸如反应 条件等诸多因素的制约和影响。此外，这些方法都是高度专业化和技术化的不仅仅需 要复杂的精密的仪器和熟练的操作人员，而且要求有相关技术支持才能够有效的进行。 l _ 2 2 电子编码( e l e c t r i c a le n c o d i n g ) 电子编码是利用无线电频率存储器标记物对组合化合物库进行编码的方法l 蛳”。 如图卜2 5 所示，无线电频率存储器标记物包括两个部分，天线和一个含有4 0 位激光刻 蚀识别码的微电子芯片，它们都被封装在一个玻璃空腔中。4 0 位的识别码意味着利用 这种方法可以产生2 4 0 种唯一编码。当无线电存储器标记物靠近与电腩相连的无线电接 收装