（生物医学工程专业论文）pdms微球的制备及应用.pdf

至童查堂婴主堂些堡苎 a b s t r a c t h i g hp o l y m e rm i c r o b e a d sh a v ew i d ea p p l i c a t i o n si nc o m b i n a t o r i a lc h e m i s t r y , b i o s e p a r a t i o n ，d r u gc a r r i e r s ， p h o t o n i cc r y s t a l sa n do p t i ce l e m e n t s d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sr e q u i r et h em i c r o b e a d st oh a v ed i f f e r e n ts i z e s d i f f e r e n tm o n o d i s p e r s i t i e s ，d i f f e r e n ts p h e r i c i t i e sa n dd i f f e r e n tr i g i d i t i e s a n dt h e r e f o r e ，f a b r i c a t i o nm e t h o d s a r eh o t t o p i c si nm i c r o b e a d ss t u d y f a b r i c a t i o no fh i g hp o l y m e rm i c r o b e a d sp r e s e n t l yi n c l u d e sc h e m i c a la n dp h y s i c a l m e t h o d s ，s u c ha sp o l y m e r i z a t i o na n dr o a c h i n gr e s p e c t i v e l y i nt h et h e s i s ，w em a i n l ys t u d i e dt h em e t h o df o rp d m s m i c r o b e a d sf a b r i c a t i o n ，a n dd e v e l o p e da s i m p l et e c h n i q u e f o rm i c r o b e a d sf a b r i c a t i o na n d d y ed o p i n gi n m i c r o b e a d s a n dw ea l s o i n v e s t i g a t e dt h ep e r f o r m a n c eo fp d m sm i c r o b e a d si n 血ea p p l i c a t i o n so f b i o i n s t r u m e n t a t i o na n do p t i c a li m a g i n g m a i nc o n t e n t so fs t u d ya r el i s t e da sf o l l o w , ( 1 ) w eo p t i m i z e das e r i e so fq u a l i f i c a t i o n st h a ta f f e c tt h em i c r o b e a d si n r e s p e c t s o fs i z e m o n o d i s p e r s i t y , s p h e r i c i t ya n ds u r f a c et o p o g r a p h ；b yu s i n gas e l f - d e v e l o p e di n s t r u m e n tf o rm i c r o h e a d sf a b r i c a t i o n ( 2 ) w eo b t a i n e dp h o t o n i c c r y s t a l se n c o d e dp d m sm i c r o b e a d st h r o u g hd o p i n gp e a dd y e s a n dt h e ni m m o b i l i z e d p r o t e i nr o o l e c u l e so nt h es u r f a c eo fm i c r o b e a d sb yp h y s i c a la b s o r b i n g m u l t i p l e xi m m u n o r e a c t i o np r o v e dt h e e n c o d i n g i o ft h i sw a yh a v i n ga d v a n t a g e so fe n c o d i n gs t a b i l i t y , d e c o d i n gs i m p l i c i t y , h i g hr e a c t i o nf l u x ，a n dl o w c o s tf o rf a b r i c a t i o n ( 3 ) w ef a b r i c a e df l e x i b l ep d m sm i c r o b e a d sw i t hh i g ht r a n s p a r e n c 弘f o c u st u n i n gc a nb ef u l f i l l e di nt h ep d m s m i c r o b e a d s a n dm i c r o l e n sa r r a yc a nb eo b t a i n e dt h r o u 幽s e l f a s s e m b l i n g k e yw o r d s ：p d m sm i c r o b e a d ，p e a r ld y ee n c o d i n g ，m i c r ol e n s ，b i o a s s a y i i 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：豆生日 期： 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。 研究生签名：望堑导师签名：触 ， l 绥 穷 j | v 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 硅橡胶的性能，加工及应用 硅橡胶是一种高性能的高分子聚合物材料。无论是固态还是液态的硅橡胶均由3 种主要 成分构成，即聚合物基质，填充料和添加剂。通过调整这三种成分的比例或者通过添加颜料、 稳定剂等其它材料人们可生产出多种个性化的硅橡胶以满足不同的需要。 硅像胶的研制最早开始于2 0 世纪的4 0 年代，国外最早研究的是二甲基硅橡胶1 9 4 4 年， 这种硅橡胶由美国b o wc o l i n i n g 公司和g e n e r a le l e c t r i c 公司各自投入生产。室温硫化的硅 像胶在1 9 5 4 年问世，我国则在8 0 年代具有了大规模工业化生产这种硅橡胶的能力由于硅橡 胶具有优异的生物，物理、化学和机械性能，因此它主要被用于工业制造、交通运输、医疗 器械等领域。 1 1 1 硅橡胶的性能 硅橡胶属于合成类高分子聚合物，硅原子和氧原子交替的主链构成了其独特的分子结 构。这一结构与石英等矿物的结构类似，因此硅橡胶通常具有稳固的物理和化学性质，例如 优异的耐高温耐化学腐蚀性能，优异的电学性能，良好的透明度等与绝大多数弹性体相比， 硅橡胶的使用温度范围很广，在一6 0 2 6 0 c 的温度范围内性质仍能保持稳定；硅橡胶可以通 过氧化乙烯气体、y 射线辐射、蒸煮等方法进行消毒处理，处理后的硅橡胶品质和性能不变： 硅像胶具有很高的抗撕裂强度和较高的拉伸强度；硅橡胶具有很好的绝缘性，在极端温度中 也能保持绝缘作用和介电强度，因此在电学应用中它的性能超过了某些传统的绝缘材料 1 ； 此外，大量试验还表明，硅像胶表现出其它弹性体不具备的生物相容性，将硅橡胶植入体内 时，人体组织对它的排斥反应极低；硅橡胶无色无味，不会助长细菌繁殖，亦不会玷污或腐 蚀其它材料，作为医用产品，硅橡胶配方符合f d a ，i s o 和三组分生物相容性指南 1 1 2 硅橡胶的加工 硅橡胶的加工通常采用三种主要的模塑方式，即液态注塑( l i m ) 、压铸和压塑( 挤塑) l i i f i 匿常采用较低的填充压力( 2 5 0 “2 0 0 0 p s i ) 和较高的加工温度( 11 0 2 5 0 c ) 作为生产工艺， 而压铸和压塑则采用较高的填充压力( 20 0 0 - 80 0 0 p s i ) 和较低的加工温度( 9 0 - 1 8 0 ) 作为 l 东南大学硕士学位论文 生产工艺 此外，l 1 m 经常用于硅橡胶的批量生产，它在硅像胶的生产中表现出很多的优点，其中 最突出的就是加工过程中的清洁度和快的加工速度。在注塑过程中，泵送系统在全封闭状态 下首先将两种组分的液态硅氧烷( 催化剂和交联剂) 直接泵入混合机内进行均化，然后再将均 化后的混合物泵入模腔中。在高温下，硅氧烷在模腔中快速实现模塑和硫化( 固化) 注射过 程仅需3 一1 0 s ，而模塑和硫化贝i j 需要1 0 9 0 s 戴更长的时闻才能完成此外，l i m 采用的是封 闭式流程，因此可大幅度减少环境和材料间的相互污染由于加工过程采用了一步式的自动 流程因此该方法还可保证部件质量的连续一致，减少差异现象和人为错误 与l i m 不同的是，压铸和压塑方法通常会耗费较多人力，并且原料需要在双辊研磨机中 进行单独预混，过程复杂。此外，两种方法均须在低温下进行，因此硅橡胶的固化速度缓慢， 造成了加工周期长、生产效率不高等缺点，而且原料与环境之间易形成互相污染 1 1 3 硅橡胶的应用 一、密封制品由于硅橡胶具有耐届浇性、耐高温性、耐老化性和绝缘性等优异的理化 牲能，因此2 0 世纪5 0 年代人们就开始在许多重要橡胶密封制品中采用硅橡胶制品主要密封 制品有汽车发动机里面的曲轴后密封圈、燃油泵密封件、空调压缩机密封件、电位器绝缘衬 套和灌封材料等。汽车发动机硅像胶密封制品的使用寿命可满足l o 年以上及1 5 万公里的苛刻 要求。近年来增长最快的应用领域是制作导电按键，电线、电缆及大型输变电系统用电压绝 缘子和避雷器等。工业的发展，使硅橡胶使用量正在大幅度增加 2 】 二、生物工程。硅橡胶具有耐热、耐寒、无毒、耐生物老化、生理惰性、对人体组织反 应极小、植入人体组织后不引起异物反应、对周围组织不引起发炎症及较好的物理机械性能 等优点，符合医用高分子材料的要求因此被广泛应用于生物工程领域，主要包括医疗用装 置、医用电极、生物植入传感器的外包装材料等 3 】 三、医疗用品( 1 ) 器官或组织代用品分为长期和短期留置于体内的产品长期留置 于体内的产品有脑积水引流装置、人工肺等短期留置于体内的产品有静脉插管、导尿管等 ( 2 ) 医疗机械关键部件这些产品包括人工指关节、人工血液循环装置等( 3 ) 在整容和修 复方面的应用例如用硅橡胶修补面容( 前额、鼻子、下颏，颚、脖颈等) 的缺陷，治疗 外耳的缺损，颅骨和胸部的整容手术、修补内脏等以及塑造人工乳房( 4 ) 在药物缓释体 系中的应用目前，利用硅像胶生物材料为基质的可控缓释剂已应用于避孕药和杭癌药中， 并取得了良好的效果( 5 ) 用作体外用品如人工皮肤、体外的各类泵管、与医疗器械的 连接管、制药厂的输液导管 4 2 第一章绪论 1 2 聚合物微球的制备及在生物医学中的应用 聚合物微球是一种性能优良的新型功能材料，具有表面效应、体积效应、磁效应，生物 相容性、功能基团等特性，在固定化酶、靶向药物、免疫分析、细胞分离、高级化妆品、环 境友好型高效催化剂等方面，有广阔的应用前景【5 ，6 聚合物微球的制各方法主要有乳化一溶剂蒸发法、乳化一交联法、乳化一溶剂萃取法、 乳化分散法、喷雾干燥法、熔融挤出法、超l 临界流体新技术等 1 2 1 聚乳酸微球 聚乳酸( 聚2 羟基丙酸，p l a ) 是一种可生物降解的聚合物，在体内降解为乳酸，这 是人和所有高级动物体内正常的糖代谢产物，易从体内捧出而不积蓄。p l a 分子上没有肽链， 无毒、无刺激性、无免疫原性及生物相容性好，可安全用于体内，因此，被用作可生物降解 的药物缓释控释骨架 用于靶向药物或缓释药物的聚合物微球的粒径及分布对给药方式及疗效有很大影响作 为靶向药物的载体聚合物微球，其粒径范围不同时，靶向作用的部位也就不同；作为注射用 缓释聚合物微球制剂，其粒径必须符合药典规定，即粒径大于1 5 微米的微球数目不超过百分 之十因此，在聚合物微球的应用中，控制微球粒径非常关键，同时，微球的粒径对收率， 包封率也有很大的影响微球粒径、收率和包封率是评价聚合物微球性能的3 个关键指标 7 1 2 2 淀粉微球 交联淀粉微球用作药物载体，可起缓释作用，以降低药物毒性，还可通过血流栓塞作用， 增强抗癌药物的疗效有研究小组以马铃薯淀粉为原料，n _ n 亚甲基双丙烯酰胺为交联 剂，采用乳化一交联法制备了淀粉微球，其对玫瑰香精的吸附重达1 3 3 m g g 1 2 3 血清蛋白微球 应用血清自蛋自制备的聚合物微球具有化学性能稳定、生物相容性好等优点，该类微球 用于非胃肠道给药体系具有重要的临床意义，因此，近年来引起了广泛的重视血清白蛋白 微球的制备方法主要有加热变性法和化学交联变性法( 常用交联剂有甲醛、戊二醛、t - 烯 等) 两种。血清白蛋白徽球的制各工艺一般采用喷雾干燥工艺，其优点包括制备工艺易于控 东南大学硕士学位论文 制、易实现工业生产、不受有机溶剂沾污等用喷雾干燥法制备血清白蛋白微球时热致变 性温度是影响血清白蛋白微球表面活性氨基含量的主要因素。【8 1 2 4 壳聚糖微球 壳聚糖是天然多糖中唯一的碱性多糖，具有独特的物理化学特性和生物学功能壳聚糖 及萁分解产物无毒，具有生物相容性及生物可降解性，有抗菌消炎、促进伤口愈合，抗酸、 抗溃疡、降脂和降低胆固醇的作用，壳聚糖具有直接抑制肿瘤细胞的作用，并可通过活化免 疫系统显示抗癌活性，与现有的抗癌药合用可增强抗癌效果壳聚糖微球的制备方法有乳化 一交联法、乳化一蒸发溶剂法，喷雾干燥法等 生物素一亲和素体系是7 0 年代束发展起来的一种新型生物反应放大体系，具有灵敏度 高、特异性高、稳定性高等特点。广泛用于生物医学各领域生物素一亲和素介导的肿瘤靶 向治疗是近几年来肿瘤早期诊断、治疗研究的热点 壳聚糖微球具有非常好的的吸附性能如有研究小组以壳聚糖为原料，采用逆相乳化一 交联法制备壳聚糖微球，再进行羟丙基氯化及胺基化，制备了一系烈新型壳聚糖胺基衍生物 徽球，对血清白蛋白的吸附量可达7 m g g 。他们采用乳化一交联法可制得性能优良的壳聚糖 徽球，其对胆固酵和甘油三酯的吸附率可达3 7 9 】 1 2 5 两亲性聚合物微球 随着两亲性聚合物研究的进展，两亲性聚合物微球引起广泛关注。两亲性聚合物微球结 构一般是以交联的疏水段高分子链作为微球的骨架，线性亲水高分子链的一端以共价键的形 式连在琉水骨架上目前，两亲性聚合物徼球作为一种新型功能高分子材料已广泛应用于固 相有机合成、生物医学、高分子催化、分析化学等领域 i o 1 2 6 磁性聚合物微球 磁性聚合物微球是一种新型功能材料，是微球化技术的最新发展其主要制备方法是包 埋法，徽球呈核壳式结构，聚合物外壳和磁核主要通过范德华力、氢键、配位键结合，将聚 合物外壳束缚于磁核表面，形成坚实的球状结构。磁核主要是四氧化三铁等金属氧化物，壳 层主要有合成高分子和生物高分子两类生物高分子材料主要有蛋白质、生物多糖、脂类等 抗癌微球是近年来国内外新剂型研究的热点，磁性顺铂微球除具有栓塞、化疗的双重抗 癌作用外，还具有体外磁场导向的优良性能，对特定器官( 如肝、肺) 的靶向准确性很高， 对恶性肿瘤疗效显著。 4 第一章绪论 1 2 7 其他聚合物微球 近年来。粒径为卜l o 微米的单分散聚合物微球引起极大关注制备单分散聚合物徽球 的方法有连续种子聚合法、双阶段溶胀聚合法、分散聚合等。智能聚合物( 环境敏感型聚合 物、刺激一响应型聚合物) 也已成为新型功能材料的研究热点之一，在药物控释、固定化酶、 细胞培养、温敏开关膜等方面的研究报道迅猛增加。随着智能材料研究工作的深入开展，研 究和发展具有双( 多) 重响应功能的“杂交型”智能材料已成为这前沿领域的重要发展方 向 1 3 微透镜的基本概念及可调制微透镜的研究现状 1 3 1 微透镜的基本概念 t 长期以来，提起光学元件，人们很自然地想到以几何光学为基础的透镜，反射镜、棱镜 和光栅等然而，随着超大规模集成电路和计算机辅助设计以及光刻技术的发展，制作光学 元件的技术跃上了一个新的台阶，出现了二元光学的新领域。将微电子加工技术用来制作光 学元件( 如微透镜) ，可以在基片( 玻璃片、石英片、硅片等) 上制作出类似干涉条纹的表 面位相量化浮雕型光学元件由于制作中，采用模版方法，每一个模版只有o ，1 两个状态， 与数学上的二迸制相同，因而称为二元光学 1 1 近年来，随着二元光学和微小光学的发展， 国内外出现微透镜研制热潮。微透镜是指微小透镜，通常其直径为1 0 h m 到l 姐级由这些 微小透镜排成的阵列叫傲微透镜阵列。 1 3 2 可调制微透镜的研究现状 图1 1 温敏性水凝胶控制的可调节微透镜 东南大学硕士学位论文 图1 2p h 敏感性水凝胶控制的可调节微透镜 微透镜阵列作为现今重要的光学器件，正从各个方面影响我们的生活它被广泛运用于 光通讯、光存储、光互连与光交换，光学信息处理、徽光学传感器、共聚焦显微镜、图像增 强、并行处理器、发光二极管阵列耦合、o c d 1 2 等随着微型化集成工艺的迅速发展，对 可调制的微透镜的需求也变得越来越大而一般情况下，可调制微透镜主要是通过改变透镜 材料表面的反射率或弹性体和液滴的形状起到调节焦距的目的，相关研究也有报道。如有研 究小组使用温敏性( 图1 1 ) 或p h 敏感的水凝胶( 图1 2 ) ，通过改变水凝胶的外界温度或 p h 值，使水凝胶发生膨胀或收缩，挤压周围液体，使液体表面张力发生变化，从而改变微 透镜的曲率 1 3 ，1 4 用电浸润的方法使微透镜焦距可调也是现在关注的热点，它通过外加 图1 3 用电浸润的方法制备可调制微透镜 电场，使电荷在液体表面富集，从而改变液体表面张力，使透镜焦距发生变化( 图1 3 ) 美国路易斯安娜大学的研究小组用注射泵改变微流控芯片通道内的压力，使通道内外形成压 力差，从而形成曲率不同的微透镜。由于可调制的微透镜焦距连续可调，成像清晰，不仅可 6 第一章绪论 以满足人们日常生活的需要，同时对医疗诊断，科学研究都起着巨大的帮助作用，因此被广 泛应用在数码相机，手机，p d a ，摄像机，显微镜镜头等方面 1 4 光子晶体与生物分析 1 4 1 什么是光子晶体 图1 4 自然界中的光子晶体一蝴蝶翅膀 光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 的概念是e y a b l o n o v i t c h ( b e l lc o m u n i c a t i o n r e s e a r c h ) 和s j o h n ( p r i n c e t o nu n i v e r s i t y ) 在1 9 8 7 年同时在著名刊“p b y s i c a l g e v i e w l e t t e r s ”独立提出来的，他们被公认为是光子晶体或者光子带隙材料领域的创始者 1 5 ， 1 6 e y a b l o n o v i t c h 认为：介电常数的空间周期性调制可以使电磁波的色散关系产生带腺， 在此带隙内的电子一空穴对复合的自发辐射将被严格的禁止他首次提出了在周期性结构中 禁止特定频率的光的传播的可能性s j o h n 认为：在一种经过精心排列的超晶格中，当引入 某种缺陷后，光子有可能被局域在缺陷中而不能向其他方向传播，即在电介质超晶格结构中 产生了较强的光子的a n d e r s o n 局域 7 东南大学硕士学位论文 图1 5 某些昆虫的外壳也是光子晶体 光子晶体是一种介电常数周期性变化排布的材科由于它可以像半导体对电子那样控制 光子的传播，并且是像晶体一样由菜一个基本单元按一定周期规律排列组成的有序结构，所 以被称为光子晶体自然界中也存在着少量的珍贵的光子晶体，如一种珍贵的蛋白石( 亦称 为歇帕，o p a l ) 宝石、蝴蝶的翅膀( 图l 4 ) 、某些昆虫的外壳等( 图1 5 ) 它们漂亮的 颜色，不是由色素引起的，而是介电常数周期性排列产生的在原子或者分子层次上具有周 期性结构的( 电子) 晶体是大自然所赋予的，而具有介观层次上的介电常数周期性结构的光 子晶体材料还需要人们去设计和制备。 1 4 2 光子晶体的制备 由于光子晶体具有优良的光学性质，吸引了大批科学家进行理论和试验上的研究制各 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 法早期制备光子晶体采用的是“自上而下”的方法，如最早采用的微加工技术、后来采用 的由微电子技术中的电子苍片制造技术演化而来的平板印刷与刻蚀技术等。随着纳米制造技 术的发展，近几年又发明了用多重相于激光束的全息平板印刷法( h o l o g r a p h i c l i t h o g r a p h y ) 1 7 ，1 8 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 ) 【1 9 等“自上 而下”的方法，并且受到人们的广泛关注。 2 0 ，2 1 上个世纪末人们开始关注用“自下而 上”的方法制备光子晶体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，该结构在红外区域可以产生完全光子带隙如d a 等人适用v l s i ( v e r yl a r g e 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 2 2 2 3 另一种方法就是过程简单费用低廉的自组装 胶体光子晶体方法。1 9 9 5 年，a s t r a t o v 等人将胶体粒子进行了自组装， 2 4 使人们第一次 8 第一章绪论 认识到人造蛋白石结构在光子晶体方面的潜在意义不过，这种方法存在如下缺点：较难控 制晶体内部的缺陷：介电常数对比值较小，因而较难产生完全带隙；很难自组装成六方或者 面心密排结构以外的结构，并且理论已经证明这种密排结构不能产生完全光子带隙；样品容 易龟裂，干燥后易碎，并且容易再分散到溶剂中如何自组装制备较完整的稳固的胶体光子 晶体和调制其光子带隙特性引起了人们的广泛关注。现在人们开始尝试将光刻等“自上而下” 的方法和自组装等“自下而上”的方法结合起来，制备多种结构的光子晶体 2 5 】 1 4 3 光子晶体在生物分析中的应用 光子晶体除了在纳米材料、光学器件等方面的应用以外，在生物分析领域也有广泛的应 用例如在生物分子分离、催化、传感，检测等方面的报道越来越多 加拿大多伦多大学的o z i n 研究组通过压力辅助作用在毛细管内制备了胶体粒子自组装 的整体胶体光子晶体毛细管柱这种方法制备的胶体光子晶体整体柱其长度可以达到几个厘 米，超过了其他的毛细管胶体光子晶体柱制备方法这种胶体光子晶体整体柱用于传统的色 谱或者分离设备中。能大大提高分离效率，减少分离时间，提高色谱分辨率和峰容量同时， 因为整体拄是光子晶体结构，所以可以通过其光学特性来监测其整体性当分离物通过整体 柱时，由于引起了晶体内部折射率的改变，所以光子晶体的光予带隙发生移动，利用这个原 理可以检测分离物在柱内的移动，从而方便了对待分离物的检测。 2 6 在生物传感器，生物芯片或者生物分子检测中，通常要在固体表面固定一种生物分子如 抗体、寡核苷酸探针等，然后检测他们同溶液中的抗原或者核酸之间的结合或者杂交反应 美国匹兹堡大学a s h e r 研究组发展了基于胶体光子晶体衍射特性来检溯分析物浓度的新检 溯方法由于胶体粒子所形成的有序阵列对光的衍射符合b r a g g 定律，也就是说它也是一种 光子晶体，但是这种基于粒子静电捧斥力所形成的胶体粒子阵列很不稳定，极易受粒子强度 和p h 值的影响，结构这种有序结构就会被打乱，从而失去光子晶体的特性。a s h e r 等用水 凝胶将其胶体粒子交联之后，这种阵列结构得以稳定，表现出稳定的光子晶体特性。当在水 凝胶骨架上固定传感分子之后，由传感分子与分析物的相互作用导致水凝胶的扩展或者收 缩，从而引起胶体粒子闻距的改变，也就是晶格参数的变化，反应到光子晶体的宏观表现为 颜色的改变，用眼睛就可以鉴别，而无需对检测物进行标记，因此这种胶体光子晶体被成为 智能聚合晶胶阵列( i n t e l l i g e n tp o l y m e r i z e dc r y s t a l l i n ec o l l o i d a la r r a y ，i p c c a ) 智能聚合晶胶阵列的响应速度非常迅速，可以达到纳秒级别，因此被用于一系列的化学或者 生物传感，如离子强度、p h 值、重金属、糖类和蛋白质等，并有相应的商品化生产( 图i 6 ) 2 7 - 3 4 9 东南大学硕士学位论文 图1 t 基于胶体光子晶体凝胶的葡萄糖检测( 左) ，肿瘤标志蛋白检测 ( 中) 和眼泪葡萄糖隐形眼镜传感器 除了胶体光子晶体可以用于生物传感或者检测，利用胶体光子晶体为模板制各的反蛋白 石结构光子晶体同样能用于非标记检测分析。例如，钱卫平和顾虑泽等在反蛋白石光子晶体 的三维多孔结构内表面上固定上抗体，当遇到相应的抗原时发生抗原抗体的结合反应，从而 导致多孔结构内表面的蛋自质分子层厚度变化，这种变化同样引起晶体孔内介质的折射率变 化：通过晶体反射光谱反射峰的移动可以定量的检测生物分子的相互作用 3 5 】根据同样的 原理，伊利诺伊大学的c u n n i n g h a m 研究小组则把光子晶体结构的共振滤波器整合到9 6 孔板 中，实现了高通量的非标记生物检测分析。 3 6 - 4 1 图1 7 整合到9 6 孔板中的非标记光子晶体生物传感器( 左) 与检测设备示意图( 右) 但是，这种基于反射峰位置移动的检测灵敏度还是有限的。金银等贵金属纳米粒子表面 具有局域化表面激元共振( 1 0 c a l i z e ds u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，l s p r ) 现象，也就是 会对特定波长的光产生共振吸收。吸收的波长与纳米粒子周围介质的介电常数有关，而且折 射率的轻微变化就可以引起吸收波长较长的移动，因此l s p r 具有很高的灵敏度。顾忠泽等在 多孔胶体光子晶体薄膜中包被一层金纳米粒子，实现了增强的表面激元共振( s u r f a c e 1 0 第一章绪论 p l a s m ar e s o n a n c e ，s p r ) ，从而使其可以作为一种高灵敏的基于介电常数变化的生物传感 器 4 2 后来，根据两样的原理，s h a f e r - p e l t i e r 等利用银纳米粒子获得了光子晶体表面 增强的拉曼散射信号( s u r f a c ee n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ，s e r s ) ，并用于体液葡萄糖 的浓度的检测 4 3 光子晶体也可以用于标记式的生物检测例如，j e n s e n 等在聚合光子晶体光纤的空气孔 中固定抗体。然后检测了带有c y 3 荧光标记的抗原分子光予晶体光纤生物传感器可以大大 减小样品用量，同酎具有极高的灵敏度，因此实现了生物传感器的微型化【4 4 同样的，有 研究者希望利用光子晶体光纤的多孔结构，采用s e 醛实现高灵敏度和分子特异性的化学或者 生物检测。由于光子晶体光纤可以方便的和光学检测系统整合，并且极易便携化和微型化， 所以光子晶体光纤生物传感器具有很大的研究和应用前景 1 5 总结 在前期的调研文献的工作中，我们发现p d r s 是一种典型的硅橡胶，无毒，透明度好，耐 高温耐化学腐蚀，生物相容性好，因此应用的领域十分广泛。聚合物微球具有球形度好、尺 寸小、比表面积大、吸附性强及功能基在表面富集，表面反应能力强等性质。作为功能性材 料，聚合物徽球的应用也已深入到日常生活的方方面面但到目前为止，将p d m s 做成球形相 关的成形技术还没有报道。在本研究中，我们用本实验室自主开发的仪器装置合成了以p d 峪 为主要成份的聚合物微球，不仅球形度好而且大小可控并且将合成的p d m s 微球应用在光 学成像和生物检测中 东南大学硕士学位论文 参考文献 1 】自彬。硅橡胶的性能，加工及应用。橡胶技术与装备，2 0 0 4 ，3 0 ( 1 ) ：4 2 4 5 【2 】朱灿碧。硅橡胶。化工新型材料2 0 0 1 ，2 9 ( 1 ) ：4 0 ：4 1 3 】张承焱硅橡胶在生物医学领域的应用有机硅材料，2 0 0 2 ，1 6 ( 6 ) ：1 4 一1 7 【4 石锐，丁涛，刘全勇，刘力等。生物弹性体的研究进展合成橡胶工业2 0 0 6 ，2 9 ( 3 ) ： 1 6 5 1 6 9 【5 】曹同玉，刘庆普，胡金生聚合物乳液合成原理性能及应用 加北京：化学工业出 版社，1 9 9 7 6 曹同玉，戴兵，戴俊燕单分散大粒径聚合物微球的合成及应用 j 高分子通报， 1 9 9 5 ( 3 ) ：1 7 4 - 1 8 0 7 】 8 母1 1 0 c u 何应，柳林，魏树礼等中国药学杂志，2 0 0 1 ，3 6 ( 6 ) ：3 9 1 - 3 9 4 钱军民，张兴，吕飞等精细石油化工进展，2 0 0 2 ，3 ( 3 ) ：2 2 2 6 刘爱芳，杨云西部粮油科技，1 9 9 8 ，2 3 ( 2 ) ：3 0 - 3 1 方波，宋道云化工科技，2 0 0 0 ，8 ( 3 ) ：2 0 - 2 3 孔令彬，易新建，陈四海二元光学元件一微透镜半导体技术，2 0 0 1 ，2 6 ( i l ) ： 7 4 7 6 ( 1 2 赖建军，柯才军，陈四海，易新建微透镜阵列的制作及其与图像传感器的集成( j 半 导体光电，2 0 0 4 ，2 5 ( 3 ) ：1 8 3 1 8 7 t 3 a d a p t i v el i q u i dm i c r o l e n s e n sa c t i v a t e db ys t i m d i r e s p o n s i v eh y d r o g e l e s n a t a r e2 0 0 6 4 4 2 ：5 5 1 5 5 6 1 4 1 5 a d a p t i v el i q u i dm i c r o l e n s e n s a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 6 ，2 1 ：2 0 2 2 1 0 y a b l o n o v i t c he i n h i b i t e ds p o n t a n e o u se m i s s i o ni ns o l i d - s t a t ep h y s i c sa n d e l e c t r o n i c s p h y s i c a lr e v i e , l e t t e r s ，1 0 8 7 ，5 8 ：2 0 5 9 - 2 0 6 2 1 6 j o h ns s t r o n gl o c a l i z a t i o no fp h o t o n si nc e r t a i nd i s o r d e r e d d i e l e c t r i c s u p e r l a t t i c e s p h y s i c a lr e v i e vl e t t e r s ，1 0 8 7 ，5 8 ：2 4 8 6 - 2 4 8 9 【1 7 t u r b e r f i e l daj ，p h o t o n i cc r y s t a l sm a d eb yh o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h y m r s b u l l e t i n ，2 0 0 1 ，2 6 ：6 3 2 - 6 3 【1 8 c a m p b e l lm ，s h a r pdn ，h a r r i s o nmt ，r gd e n n i n g , a n da 1t u r b e r f i e l d ，f a b r i c a t i o n o fp h o t o n i cc r y s t a l sf o rt h ev i s i b l es p e c t r u mb yh o l o g r a p h i cl i t h o g r a p h y n a t u r e ， 2 0 0 0 ，4 0 4 ：5 3 5 6 ( 1 9 w a n k emc ，l e b l m a n n0 ，m u e l l e rk ，q w e n ，虬s t u k e ，l a s e rr a p i dp r o t o t y p i n g 1 2 第一章绪论 o fp h o t o n i cb a n d g a pm i c r o s t r u c t u r e s ，s c i e n c e ，1 9 9 7 ，2 7 5 ：1 2 8 4 1 2 8 6 1 2 0 】t o a d e r0 。c h a r tua n dj o h ns ，p h o t o n i cb a n dg a pa r c h i t e c t u r e sf o rh o l o g r a p h i c l i t h o g r a p h y ，p h y s i c a lr e v i e wl e t t e r s ，2 0 0 4 ，9 2 ：0 4 3 9 0 5 卜1 q 2 1 d e u b e ll i ，f r e y m a n ngv ，w e g e n e rm ，s p e r e i r a 。k b u s c h ，a n d a ls o u k o u l i s ， d i r e c t l a s e r 盯i t i n go ft h r e e - d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a lt e m p l a t e sf o rt h e t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，n a t u r em a t e r i a l s ，2 0 0 4 ，3 ：4 4 4 - 4 4 7 2 2 】n o d as ，3 da n d2 dp h o t o n i cc r y s t a l si ni i i - vs e m i c o n d u c t o r s 。m sb u l l e t i n , 2 0 0 1 2 5 ：6 1 8 - 5 2 1 2 3 l u 丫y i nya n dx i ay ，f a b r i c a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a l sw i t h n o n s p h e r i c a lc o l l o i d a l sa st h eb u i l d i n gb l o c k s ，a d v a n c e dm a t e r i a l s ，2 0 0 1 。1 3 ： 4 0 9 4 1 3 2 4 】a s t r a t o vvn ，o p t i c a ls p e o t r o s c o p yo fo p a lm a t r i c e sw i t ho d se m b e d d e di ni t s p o r e s ：o u a n t o = c o n f i n e m e n ta n d p h o t o n i c b a n d g a p e l f e c t s ， i l n u o v o c i m e n t o ，1 9 9 5 ，1 7 ：1 3 4 9 1 3 5 4 2 f i y i ny ，l uy ，g a t e sb ，x i ay ，ap r a c t i c a lr o u t et oc o m p l e xa g g r e g a t e so f m o n o d i s p e r s e dc o l l o i d a l sw i t hw e l ld e f i n e ds i z e s ，s h a p e s ， a n ds t r u c t u r e s ， j o u r n a lo f i e r i c a nc h e m i c a ls o c i e t y ，2 0 0 1 ，1 2 3 ：8 7 1 8 - 8 7 2 9 2 e lk a m p ，u ，k i t a e v ，v ，y o nf r e y m a n n ，g ，m a b u r y ，s ，o z i n ，g ，c o l l o i d a l c r y s t a l c a d i l l a r yc o l u m n s ：t o w a r d sa no p t i c a lc h r o m a t o g r a p h y a d v a n c e d 越a t e r i a l s 2 0 0 5 ，1 7 “) ，4 3 8 - 4 4 3 2 7 】j h h o l t za n ds ，尢a s h e r ，p o l y m e r i z e dc o l l o i d a lc r y s t a lh y d r o g e lf i l m sa s i n t e l l i g e n tc h e m i c a ls e n s i n gm a t e r i a l s ，n a t u r e1 9 9 7 ，3 8 9 ：8 2 9 - 8 3 2 2 8 】l l i u ，p l i ，a n ds a a s h e r ，e n t r o p i ct r a p p i n go fm a c r o m o l e c u l e sb y m a s o s c o p i cp e r i o d i cv o i d si nap o l y m e rh y d r o g e l ，n a t u r e ，3 9 7 ，1 9 9 8 - 1 4 1 1 4 4 2 9 j k l e ea n ds 丸a s h e r ，p h o t o n i cc r y s t a lc h e m i c a ls e n s o r s ：p ha n di o n i c s t r e n g t h ，j 舡c h e m s o c ，2 0 0 0 ，1 2 2 ：9 5 3 4 - 9 5 3 7 3 0 】s s h e r ，s p e t e u ，cr e e s e ，l ll i na n dd f i n e g o l d ，p o l y m e r i z e dc r y s t a l l i n e c o l l o i d a la r r a yc h e m i c a ls e n s i n gm a t e r i a l sf o rd e t e c t i o no fl e a di nb o d i l y f l u i d s ，a n a l y a n db i o a n a l y c h e m l ，2 0 0 2 ，3 7 3 ：6 3 2 - 6 3 8 3 l 】v a l e x e e v ，a g o p o n e n k o ， s h a r m a , i k l e d n e v 。c w i l c o x ，d f i n e g o l da n d s a a s h e r ，p h o t o n i cc r y s t a lc