一种聚合物光子晶体微球、及其制备与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种聚合物光子晶体微球、及其制备与应用，其中制备方法具体是先以PS‑b‑P2VP溶液作为微流控体系的分散相、以PVA溶液作为微流控体系的连续相，利用具有特定结构的微流控芯片，得到分散性好、尺寸均一的聚合物乳液液滴，然后挥发液滴中的溶剂得到聚合物微球；接着，再以CTAB溶液作为退火外界环境将聚合物微球进行退火处理，最终得到了嵌段聚合物光子晶体微球。本发明专利技术中的聚合物光子晶体微球具有有序层状结构，具有有机溶剂响应性、pH值响应性、以及离子种类响应性，能够有效解决现有光子晶体制备周期长、过程繁琐、体系复杂、响应性单一、角度依赖性大的问题。

Polymer photonic crystal microsphere, preparation and application thereof

The present invention discloses the preparation and application of a polymer photonic crystal microsphere, preparation method and system, which is the first to PS B P2VP solution as the dispersed phase, the microfluidic system using PVA solution as continuous phase microfluidic system, using microfluidic chips with special structure, has good dispersion and the uniform size of polymer emulsion droplets, then the volatile droplet in the solvent to obtain polymer microspheres; then, using CTAB solution as the annealing environment will polymer microspheres were annealed, obtained diblock polymer photonic crystal micro ball. Polymer photonic crystal microsphere of the invention has ordered layered structure, with organic solvent response, pH response, and the value of ion species response, can effectively solve the existing photonic crystal preparation cycle is long, tedious and complicated system, the response of a single, angle dependent on the problem.

【技术实现步骤摘要】
一种聚合物光子晶体微球、及其制备与应用
本专利技术属于光子晶体材料领域，更具体地，涉及一种聚合物光子晶体微球、及其制备与应用，该聚合物光子晶体微球是种响应性的聚合物光子晶体微球，能够对特定有机溶剂、pH值和离子进行多重响应。
技术介绍
光子晶体是由不同折射率的材料在空间交替构成的一种周期性结构，其最根本的特征是具有光子禁带，即波长落在其禁带中的光被禁止传播并反射，从而显示出此种波长光的颜色。由于其独特的光学性质，光子晶体被广泛应用于多种光学器件(如调制器、传感器、显示器等)。传统意义上的光子晶体内部结构通常是纳米粒子的有序堆积，如二氧化硅纳米粒子和聚苯乙烯纳米粒子，其组成的有序结构在外界条件(如温度、溶剂和机械力等)作用下容易被破坏，且制备过程繁琐、耗时(需要引入交联)。另外，有序堆积对纳米粒子的单分散性要求很高。同时，在另一方面，基于有序堆积形成的光子晶体薄膜或块体的光学禁带会受到入射光角度的影响，不利于其在检测应用的准确的定量化及可视化。因而，发展新的光子晶体的快速制备技术，减少或避免对入射光反射光角度的依赖性对于进一步拓展光子晶体材料的应用具有重要意义。具有特定有机溶剂、pH值和离子响应的光子晶体微球是利用具有响应性链段的嵌段共聚物自组装形成的具有周期内部结构的光学材料。通过溶液中特定有机溶剂的刺激、pH值的改变和离子交换，微球内部的响应性链段所处的相区会发生体积变化，从而改变光子晶体的内部周期长度和折射率，使布拉格衍射峰位置发生变化。在通过显微镜或裸眼可以直观地观察到所发生的颜色变化，从而可以持续地监测溶液的pH值、离子种类或者有机溶剂的浓度。另外，聚合物光子晶体微球具有较快的响应性，在10秒内就能观察到明显的颜色变化，且当环境发生较小的pH变化(约0.2)或较小的有机溶剂浓度变化(约8％)就能观察到大于50nm的反射峰位移,便于检测和裸眼观察。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种聚合物光子晶体微球、及其制备与应用，其中通过对制备方法中关键的制备工艺整体流程设计、以及各个反应步骤的参数、条件等进行改进，同时利用微流控与聚合物自组装原理、并将两者有机结合，与现有技术相比能够有效解决光子晶体制备周期长、过程繁琐、体系复杂、响应性单一、角度依赖性大的问题，本专利技术中的聚合物光子晶体微球对有机溶剂、pH值和离子种类均具有响应性；并且，该聚合物光子晶体微球采用的嵌段共聚物PS-b-P2VP，其链段是以包围该微球中心的、多个层状结构的形式排列的，即在光子晶体微球中形成有序层状结构，对该聚合物光子晶体微球的响应性具有重要影响。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种聚合物光子晶体微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)溶液的制备：将嵌段共聚物聚苯乙烯-聚2-乙烯基吡啶PS-b-P2VP充分溶解在有机溶剂中，得到作为微流控体系的分散相的PS-b-P2VP溶液；将表面活性剂聚乙烯醇PVA溶解在去离子水中，得到作为微流控体系的连续相的PVA溶液；将表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵CTAB溶解在去离子水中，得到作为退火外界环境的CTAB溶液；所述PS-b-P2VP溶液的浓度为1～15mg/mL，所述PVA溶液的浓度为0.5～20mg/mL，所述CTAB溶液的浓度为0.5～5mg/mL；(2)微流控芯片的设置：所述微流控芯片包括第一内管、第二内管、外管、以及外管进样头，所述外管的直径均大于所述第一内管、以及所述第二内管，所述第一内管、以及所述第二内管均套设在所述外管之中；其中，所述第一内管延伸出所述外管的一端为进样口，所述第一内管伸入到所述外管内部的另一端呈直径缩小的尖端；所述第二内管延伸出所述外管的一端为出样口；所述外管进样头设置在所述外管上，用于向所述外管中通入所述步骤(1)得到的所述PVA溶液；该外管进样头在所述外管的中心轴线上的投影位于所述第一内管在该外管中心轴线上的投影的内部；此外，所述外管的两个端口封闭；(3)聚合物乳液液滴的制备：利用注射泵分别将所述步骤(1)中得到的所述PVA溶液作为连续相导入到所述步骤(2)中的所述外管进样头，并将所述步骤(1)中得到的所述PS-b-P2VP溶液作为分散相导入到所述步骤(2)中的所述进样口；调节流速，使所述分散相的流速为50～600μL/h，所述连续相的流速为800～5000μL/h，在所述步骤(2)中的所述出样口即得到分散在PVA溶液中的、且尺寸均一的PS-b-P2VP乳液液滴；然后，将分散有PS-b-P2VP乳液液滴的PVA溶液在30～50℃下静置，使有机溶剂挥发即得到聚合物微球；(4)溶剂退火获得光子晶体微球：将所述步骤(3)得到的所述聚合物微球分散到所述步骤(1)得到的所述CTAB溶液中，然后在35～50℃下于氯仿蒸汽下进行退火处理36～72h，即得到嵌段聚合物光子晶体微球。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述PS-b-P2VP溶液的浓度为3～10mg/mL；优选的，所述PS-b-P2VP的相对分子量(Mw)为250000～280000；所述有机溶剂为氯仿或者二氯甲烷。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述PVA的相对分子量(Mw)为21000～27000，水解度为87～89％。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述CTAB溶液的浓度为2～4mg/mL。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述第一内管、所述第二内管、以及所述外管三者的中心轴线相互重合；对于所述第一内管，所述尖端的末端直径为20～140μm；优选的，所述尖端的末端直径为40～100μm；所述外管进样头位于所述第一内管与所述外管的连接处；所述外管的两个端口通过环氧树脂封闭。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(3)中，在所述静置挥发过程中，所述分散有PS-b-P2VP乳液液滴的PVA溶液的液面高度保持为4～10mm；优选为4～8mm。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(4)中，在所述退火处理过程中，分散有聚合物微球的CTAB溶液的液面高度保持为5～8mm。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(4)得到的所述嵌段聚合物光子晶体微球的直径为12～150μm。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种聚合物光子晶体微球，其特征在于，包括嵌段共聚物聚苯乙烯-聚2-乙烯基吡啶PS-b-P2VP，该PS-b-P2VP中，聚苯乙烯PS的质量分数优选为40％到60％；此外，该聚合物光子晶体微球具有pH值响应、有机溶剂响应和离子响应；优选的，在所述聚合物光子晶体微球中，所述嵌段共聚物PS-b-P2VP的链段是以包围该微球中心的、多个层状结构的形式排列的。作为本专利技术的进一步优选，所述聚合物光子晶体微球的有机溶剂响应光谱范围为460nm至720nm，pH值响应光谱范围为460nm至680nm，离子响应光谱范围为470nm至630nm。按照本专利技术的又一方面，本专利技术提供了上述聚合物光子晶体微球在反射模式显微镜检测中的应用。作为本专利技术的进一步优选，所述反射模式显微镜检测是针对有机溶剂、pH值或离子种类的检测。按照本专利技术的再一方面，本专利技术提供了上述聚合物光子晶体微球在生物传感器、化学传感器、或吸附指示剂中的应用。本专利技术是先以PS-b-P2VP溶液作为微流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚合物光子晶体微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)溶液的制备：将嵌段共聚物聚苯乙烯‑聚2‑乙烯基吡啶PS‑b‑P2VP充分溶解在有机溶剂中，得到作为微流控体系的分散相的PS‑b‑P2VP溶液；将表面活性剂聚乙烯醇PVA溶解在去离子水中，得到作为微流控体系的连续相的PVA溶液；将表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵CTAB溶解在去离子水中，得到作为退火外界环境的CTAB溶液；所述PS‑b‑P2VP溶液的浓度为1～15mg/mL，所述PVA溶液的浓度为0.5～20mg/mL，所述CTAB溶液的浓度为0.5～5mg/mL；(2)微流控芯片的设置：所述微流控芯片包括第一内管、第二内管、外管、以及外管进样头，所述外管的直径均大于所述第一内管、以及所述第二内管，所述第一内管、以及所述第二内管均套设在所述外管之中；其中，所述第一内管延伸出所述外管的一端为进样口，所述第一内管伸入到所述外管内部的另一端呈直径缩小的尖端；所述第二内管延伸出所述外管的一端为出样口；所述外管进样头设置在所述外管上，用于向所述外管中通入所述步骤(1)得到的所述PVA溶液；该外管进样头在所述外管的中心轴线上的投影位于所述第一内管在该外管中心轴线上的投影的内部；此外，所述外管的两个端口封闭；(3)聚合物乳液液滴的制备：利用注射泵分别将所述步骤(1)中得到的所述PVA溶液作为连续相导入到所述步骤(2)中的所述外管进样头，并将所述步骤(1)中得到的所述PS‑b‑P2VP溶液作为分散相导入到所述步骤(2)中的所述进样口；调节流速，使所述分散相的流速为50～600μL/h，所述连续相的流速为800～5000μL/h，在所述步骤(2)中的所述出样口即得到分散在PVA溶液中的、且尺寸均一的PS‑b‑P2VP乳液液滴；然后，将分散有PS‑b‑P2VP乳液液滴的PVA溶液在30～50℃下静置，使有机溶剂挥发即得到聚合物微球；(4)溶剂退火获得光子晶体微球：将所述步骤(3)得到的所述聚合物微球分散到所述步骤(1)得到的所述CTAB溶液中，然后在35～50℃下于氯仿蒸汽下进行退火处理36～72h，即得到嵌段聚合物光子晶体微球。...

【技术特征摘要】
1.一种聚合物光子晶体微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)溶液的制备：将嵌段共聚物聚苯乙烯-聚2-乙烯基吡啶PS-b-P2VP充分溶解在有机溶剂中，得到作为微流控体系的分散相的PS-b-P2VP溶液；将表面活性剂聚乙烯醇PVA溶解在去离子水中，得到作为微流控体系的连续相的PVA溶液；将表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵CTAB溶解在去离子水中，得到作为退火外界环境的CTAB溶液；所述PS-b-P2VP溶液的浓度为1～15mg/mL，所述PVA溶液的浓度为0.5～20mg/mL，所述CTAB溶液的浓度为0.5～5mg/mL；(2)微流控芯片的设置：所述微流控芯片包括第一内管、第二内管、外管、以及外管进样头，所述外管的直径均大于所述第一内管、以及所述第二内管，所述第一内管、以及所述第二内管均套设在所述外管之中；其中，所述第一内管延伸出所述外管的一端为进样口，所述第一内管伸入到所述外管内部的另一端呈直径缩小的尖端；所述第二内管延伸出所述外管的一端为出样口；所述外管进样头设置在所述外管上，用于向所述外管中通入所述步骤(1)得到的所述PVA溶液；该外管进样头在所述外管的中心轴线上的投影位于所述第一内管在该外管中心轴线上的投影的内部；此外，所述外管的两个端口封闭；(3)聚合物乳液液滴的制备：利用注射泵分别将所述步骤(1)中得到的所述PVA溶液作为连续相导入到所述步骤(2)中的所述外管进样头，并将所述步骤(1)中得到的所述PS-b-P2VP溶液作为分散相导入到所述步骤(2)中的所述进样口；调节流速，使所述分散相的流速为50～600μL/h，所述连续相的流速为800～5000μL/h，在所述步骤(2)中的所述出样口即得到分散在PVA溶液中的、且尺寸均一的PS-b-P2VP乳液液滴；然后，将分散有PS-b-P2VP乳液液滴的PVA溶液在30～50℃下静置，使有机溶剂挥发即得到聚合物微球；(4)溶剂退火获得光子晶体微球：将所述步骤(3)得到的所述聚合物微球分散到所述步骤(1)得到的所述CTAB溶液中，然后在35～50℃下于氯仿蒸汽下进行退火处理36～72h，即得到嵌段聚合物光子晶体微球。2.如权利要求1所述聚合物光子晶体微球的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述PS-...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱锦涛，杨一，许江平，王珂，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42