新闻动态

您的位置:首页  资讯中心  新闻动态

化材院李风煜教授团队《ACS Nano》:柔性光子晶体的弹性结构色研究

发布时间:发布单位:办公室

具有周期性介电纳米结构的光子晶体传感芯片因其独特的光子禁带引起的结构色、反射率和荧光增强而被广泛应用于增强传感信息,利用其优异的光学调制和结构多样性实现了多种重要分析物的高灵敏和选择性检测,极大地简化了检测过程。多禁带、角度依赖的光子晶体芯片可实现了多元复杂体系的分析[Angew. Chem. In. Ed. 2013, 125, 7296-7299; Angew. Chem. In. Ed. 2016, 128, 7025-7028.],但仍不能满足现场检测和日益增长的需求,特别是对可穿戴或便携式传感设备的可拉伸性、多功能性和简便性的要求。

近日,暨南大学化学与材料学院李风煜教授团队联合解放军总医院李春宝主任团队在《ACS Nano上发表题为“A Rainbow Structural Color by Stretchable Photonic Crystal for Saccharide Identification”的原创性研究论文。文章的第一作者是暨南大学化学与材料学院副教授谢新媛。通讯作者为暨南大学李风煜教授和解放军总医院李春宝主任。该论文实现了光子晶体检测芯片的可拉伸性、多功能性和进一步简单化。论文通过对柔性光子晶体结构色的调节,研究其纳米结构和光学性质在拉伸过程中的变化规律,利用其对荧光指示剂的差异化增强作用来提供丰富的光学信息,实现复杂体系的多元分辨。

对于柔性光子晶体材料(PC),其结构色(禁带)可以通过弹性变形来调节,产生连续光谱而构造出绚丽的彩虹色(图1a)。在白光照射下,由聚苯乙烯(PS)纳米球(直径270nm)在胶状聚丙烯酸酯(PEA)基质中有序排列而成的可拉伸PC膜显示红色(图1b)。当PC膜被拉伸时,胶体晶格发生规则变形(图1c),均匀六边形的(111)晶面横向拉伸,垂直面被挤压,引起晶格间距的变化,使PC膜的结构色从红色逐渐变为粉色、橙色、黄绿色、浅绿色和深绿色(图1d),禁带波长也相应地从630 nm移动到620605582566543 nm(1e)。反射峰的蓝移符合布拉格定律,反射率随拉伸率的增大而减小(图1e&f)。因此,在不同拉伸率下具有不同检测响应性的可拉伸PC膜可提供丰富的光学信息,便于构建用于多种分析物识别的传感器芯片。


1. 可拉伸光子晶体膜——结构色和弹性光学特性:(a)受力不均匀时柔性PC膜的多彩结构色;(b) 可拉伸PC膜的纳米结构-颜色对应示意图;(c)不同拉伸率(εx)PC膜的SEM图;(d) εx05%10%20%30%40%PC膜在白光照射下的光学照片;(e) 拉伸过程中PC膜的反射光谱;(f) 不同拉伸率下光子晶体膜的反射峰位置。


通过有限元分析方法研究了拉伸过程中PC膜内部电场的分布。结果表明不同拉伸率下PC膜的有限元模拟光谱,与其实测光谱完全吻合(如图2)。证实了柔性光子晶体膜,在外界拉伸过程中,其光学行为可以定量分析。


2. 有限元分析(FEA)(a)光子晶体膜在不同波长光照射下拉伸过程中的电场分布的有限元分析;(b)606 nm光照下,10%拉伸PC膜内的电场分布;(c)不同拉伸率PC膜的有限元模拟光谱;(d) 拉伸过程中PC膜的变形机制。

 

选取茜素红S-2-氨基乙基联苯基硼酸酯(ARS-DPBA)、茜素红S-苯硼酸(ARS-PBA)和曙红Y三种荧光指示剂负载于PC膜上研究其弹性荧光增强特性,发现,荧光强度的差异性变化是由荧光染料的发射峰与光子禁带的重合程度(慢光子效应)以及光子晶体反射率随拉伸率增大而下降的共同作用结果。光子晶体膜能够在不同拉伸率下差异性地改变不同荧光染料的荧光强度,为高效的多光谱分析提供了丰富的传感信息。(如图3


3. 可拉伸PC膜的可调谐荧光增强:(a) PC膜随拉伸率变化的禁带与荧光染料ARS-DPBA, ARS-PBA和曙红Y发射峰的匹配情况(b)PC膜上荧光斑点的荧光强度随拉伸率变化而改变,其对不同光谱区域的荧光有不同程度的增强。


论文改变柔性光子晶体的拉伸率(0%10%20%30%40%),仅使用一种荧光指示剂 (ARS-DPBA), 就可识别最小浓度为10- 7M14种相似结构的糖类物质(如图4)。此外,不同浓度、不同混合物和含糖类的真实样品(饮料和汗液)也可以成功区分。该论文工作可为可穿戴设备、动态环境、临床或健康监测辅助提供生物相容性的光学平台。


4. 可拉伸PC芯片用于各种糖类的鉴别 (a) ARS-DPBA斑点PC芯片对14种糖类的荧光响应。拉伸率的变化引起荧光信号的多样性。 (b) 14种糖类的LDA鉴别结果。(c) 14种糖类的HCA分析的树状图; (d) 梯度浓度下三种糖的得分图,沿箭头方向浓度增大。


总之,彩虹色柔性光子晶体芯片传感策略避免了复杂的传感元件设计和筛选,提供了一种先进的高效多元分析方法。本工作揭示了柔性光子晶体的弹性光学特性,为可穿戴设备、动态环境、临床或健康监测辅助提供了一个创造性的光学平台。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c08708