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        基于光子晶體的層層組裝設(shè)計與表征

        2016-04-10 01:17:09余莉萍
        化學(xué)工業(yè)與工程 2016年6期
        關(guān)鍵詞:聚苯乙烯布拉格層層

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        目前,層層組裝技術(shù)因其自身卓越的特性而被廣泛用于生物醫(yī)藥、化學(xué)和物理等各個領(lǐng)域[1-7]。層層組裝法是一種基于物質(zhì)間的非共價鍵弱相互作用通過逐層作用的方式構(gòu)筑復(fù)合膜的制備方法[1],其本質(zhì)是多次界面組裝的有機組合,可以對每一次界面組裝過程進行獨立的設(shè)計與調(diào)控[3,8]。在研究層層組裝時,通常采用原子力顯微鏡(AFM)觀察膜的厚度[3,6-7]以及采用場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察界面形貌[5]以了解層層組裝的進程。這兩種表征方法都不能實現(xiàn)適時監(jiān)測組裝進程。

        凝膠光子晶體是一種將水凝膠材料結(jié)合到光子晶體結(jié)構(gòu)中形成的一種既具有光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)又對外界環(huán)境變化具有響應(yīng)性的新型材料,也被稱為響應(yīng)性光子晶體[9-10]。凝膠光子晶體具有信號自表達(dá)特性,能把環(huán)境變化引起水凝膠體積的膨脹或收縮或者相的轉(zhuǎn)變以光學(xué)信號的形式表現(xiàn)出來[11],宏觀上可通過衍射峰的位移或顏色變化表達(dá)其響應(yīng)性[12-15]。本研究將凝膠光子晶體的適時光響應(yīng)特性與層層組裝技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了水溶液中層層組裝過程中光子晶體布拉格衍射峰的變化監(jiān)測,發(fā)展了一種新的層層組裝表征手段。

        1 實驗部分

        1.1 儀器與試劑

        BT-125D電子天平(德國賽多利斯科學(xué)儀器有限公司);KQ2200B型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司);DZG-4018電熱真空干燥箱(天津市天宇實驗儀器有限公司);pH計(FE20K)(德國梅特勒-托利多公司)。

        聚烯丙基胺鹽酸鹽(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%,阿爾法莎);苯乙烯、丙烯酰胺(AMD)、丙烯酸(AAC)、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(BIS)、過硫酸銨(APS)、冰醋酸、醋酸鈉、濃硫酸、無水乙醇、雙氧水和腐殖酸等均為分析純,購自天津科威公司。實驗用水均為二次蒸餾水。

        1.2 凝膠光子晶體的制備

        先利用乳液聚合法制備粒徑為210 nm左右的單分散聚苯乙烯微球[15],然后通過垂直沉積法將聚苯乙烯微球自組裝于載玻片上。實驗所用載玻片在濃硫酸與雙氧水的混合溶液(體積比為7∶3)中浸泡24 h并用乙醇超聲清洗10~20 min。將已清洗干凈的載玻片垂直浸入盛有聚苯乙烯膠體稀溶液(聚苯乙烯微球乳液與水體積比為1∶15)的燒杯中,置于45℃水浴中,隨著燒杯中水的揮發(fā),單分散微球在毛細(xì)力作用下于豎直的載玻片上進行自組裝,得到表面平整且顏色鮮亮的聚苯乙烯光子晶體模板。將覆蓋光子晶體模板的載玻片置于80℃的烘箱中,干燥,自然降溫后,得到牢固的光子晶體模板。

        水凝膠聚合物的前驅(qū)體溶液配方如下:功能單體丙烯酰胺3.0 g(42 mmol,62%)和丙烯酸1.6 mL(24 mmol,36%),交聯(lián)劑 N,N’-亞甲基雙丙烯酰0.08 g(0.6 mmol,0.9%)以及引發(fā)劑過硫酸銨0.09 g(0.4 mmol,0.6%),溶于4 mL水溶液中。充分混合后,采用毛細(xì)力滲透法將其填充到已制備出的聚苯乙烯光子晶體模板中。在55℃的烘箱中聚合6 h,得到三維有序的丙烯酰胺與丙烯酸共聚[poly(AMD-co-AAc)]凝膠光子晶體。

        1.3 光子晶體結(jié)構(gòu)的表征

        采用Nanosem 430型場發(fā)射掃描電鏡(Nova NanoSEM 430,F(xiàn)EI)表征聚苯乙烯光子晶體模板以及凝膠光子晶體結(jié)構(gòu)和形貌特征,操作電壓5 kV。

        1.4 組裝進程的表征

        將制備好的凝膠光子晶體依次浸入PAH、HA和Cd2+的緩沖溶液中,利用JKHQ-D1型光纖光譜儀(天津津科浩強科技有限公司)監(jiān)測光子晶體的布拉格衍射峰變化。測量順序從低濃度到高濃度進行,且每次測量前測試并調(diào)節(jié)溶液pH值以符合要求??疾旖M裝完成所需時間時,將凝膠光子晶體浸泡于20 mL 0.5 g·L-1的 PAH溶液中(pH值為5.0),每隔1 min記錄1次布拉格衍射峰數(shù)據(jù),直到峰值不再變化說明組裝進程已完成。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 凝膠光子晶體的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)

        良好的光子晶體模板不僅要求模板的外觀平整,顏色鮮亮,其微觀形貌也需具備較好的三維面心立方結(jié)構(gòu)。圖1a)為垂直沉積所得的光子晶體模板的掃描電鏡(SEM)平面照片,圖1b)為光子晶體模板橫剖面SEM照片。

        圖1 聚苯乙烯光子晶體模板SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of polystyrene photonic crystal template

        從圖1中可看出光子晶體模板不論在平面還是立體方向,均具備三維面心立方結(jié)構(gòu),光子晶體模板厚度約13μm。

        圖2為填充后所得的凝膠光子晶體的SEM照片,從圖2中可看出填充和聚合過程都沒有破壞模板的結(jié)構(gòu),經(jīng)過填充聚合后,光子晶體的三維面心立方結(jié)構(gòu)被固定于凝膠體系中。

        2.2 組裝條件的考察和優(yōu)化

        2.2.1最適宜p H值考察

        圖2 凝膠光子晶體SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM image ofpoly(AMD-co-AAc)hydrogel photonic crystal

        pH值是影響層層組裝過程的關(guān)鍵因素之一[11-12,15]。通過調(diào)節(jié)組裝體系 pH 值,不僅可以達(dá)到良好的組裝效果,還可以保證凝膠光子晶體具備最佳的響應(yīng)性能。實驗中,將凝膠光子晶體依次浸泡于不同pH值下相同濃度PAH(0.5 g·L-1)的緩沖溶液中。待其達(dá)到溶脹平衡后,利用光纖光譜儀記錄相應(yīng)布拉格衍射峰變化。在pH值在3.0~6.0的范圍內(nèi),凝膠光子晶體的布拉格衍射峰隨溶液pH值變化情況如圖3所示。

        圖3 凝膠光子晶體在不同pH值下布拉格衍射峰變化Fig.3 Dependence of the diffraction wavelength of poly(AMD-co-AAc)in response to different p H

        實驗中發(fā)現(xiàn),在pH值低于4.0時,凝膠光子晶體衍射峰位移較小且不易測定,說明較低的pH值環(huán)境不利于組裝體系形成。pH值大于4.0時,隨著溶液的pH值增加,凝膠光子晶體衍射峰位移最初是逐漸增大的。在pH值為5.5時,凝膠光子晶體衍射峰位移最大,且不再隨著溶液pH值的增加而增加。因此選擇pH值為5.0作為考察PAH組裝過程的最適宜pH值。后續(xù)HA與Cd2+組裝過程最適宜pH值考察方法同此。

        2.2.2最適宜組裝時間考察

        組裝過程的完成需要一定的時間。本實驗考察了poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體表面組裝PAH的時間。將凝膠光子晶體浸入20 mL 0.5 g·L-1的PAH溶液中,每隔1 min記錄1次衍射峰數(shù)據(jù),直至其不再發(fā)生明顯變化。

        圖4 凝膠光子晶體在0.5 g·L-1的PAH溶液中衍射峰與時間關(guān)系Fig.4 Relationship between time and diffraction wavelength when hydrogel photonic crystal soaked in 0.5 g·L -1 PAH solution

        由圖4可見,在11 min以內(nèi),凝膠光子晶體的衍射峰波長隨時間增長而不斷增大,11 min后達(dá)到穩(wěn)定,說明組裝已達(dá)平衡。因此,將PAH組裝過程的最適宜時間定為12 min。后續(xù)其它組裝過程的最適宜時間考察方法同此。

        2.3 層層組裝設(shè)計與表征

        2.3.1PAH/poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體層層組裝設(shè)計與表征

        基于poly(AMD-co-AAc)表面羧酸根與PAH表面銨根的靜電作用力[3],可實現(xiàn)PAH在poly(AMD-co-AAc)表面的組裝設(shè)計。實驗中首先將凝膠光子晶體依次浸入20 mL pH=5.0的一系列不同濃度PAH溶液中,待凝膠溶脹平衡后,分別監(jiān)測并記錄其衍射峰數(shù)據(jù)。結(jié)果見圖5。

        圖5 凝膠光子晶體在不同濃度PAH溶液中布拉格衍射峰變化Fig.5 Dependence of the diffraction wavelength of poly(AMD-co-AAc)in response to different concentrations of PAH solutions

        由圖5可以看出,當(dāng)PAH濃度依次從0.1 g·L-1增加到0.7 g·L-1時,凝膠光子晶體的衍射峰波長隨之逐漸紅移,于0.5 g·L-1PAH溶液中時,衍射峰波長由緩沖溶液中的618 nm紅移至707 nm,當(dāng)濃度繼續(xù)增加到0.7 g·L-1,衍射峰變化不大。隨著不同濃度的PAH在poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體表面進行組裝,由于poly(AMD-co-AAc)表面羧酸根與PAH表面銨根的靜電作用[3]引起凝膠溶脹,導(dǎo)致光子晶體的晶格參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化。依據(jù)布拉格衍射公式,其衍射峰發(fā)生紅移,當(dāng)濃度增加到一定值時,凝膠溶脹達(dá)平衡狀態(tài),此時衍射峰紅移至707 nm。說明PAH能在poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體表面進行組裝并在0.5 g·L-1濃度時達(dá)到組裝飽和。

        2.3.2HA/PAH/poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體層層組裝設(shè)計與表征

        基于PAH表面銨根與HA表面羧酸根的靜電作用力[3],以PAH在凝膠光子晶體表面組裝飽和時的濃度為起點,進一步實現(xiàn)HA在PAH/poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體表面的組裝。將PAH組裝達(dá)到平衡的凝膠光子晶體依次浸入20 mL pH值為5.0的一系列不同濃度腐殖酸溶液中,采用光纖光譜儀測定其衍射峰波長變化。如圖6所示,當(dāng)腐植酸濃度從 0.0014 g·L-1逐漸增加到 0.0112 g·L-1的過程中,凝膠光子晶體衍射峰明顯紅移,由最初0.5 g·L-1PAH溶液中的708 nm逐漸移至755 nm,當(dāng)HA濃度繼續(xù)增加,布拉格衍射峰不再發(fā)生明顯移動。在PAH/poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體表面進行不同濃度的HA組裝時,由于PAH表面銨根與HA表面羧酸根的靜電作用[3]引起凝膠溶脹,使得光子晶體的晶格參數(shù)發(fā)生變化,依據(jù)布拉格衍射公式,衍射峰發(fā)生變化。當(dāng)HA濃度增加到一定值時,凝膠溶脹達(dá)平衡狀態(tài),衍射峰移至755 nm。說明HA能在PAH/poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體表面進行再組裝,且能達(dá)到組裝飽和。

        圖6 凝膠光子晶體在不同濃度HA溶液中布拉格衍射峰變化Fig.6 Dependence of the diffraction wavelength of poly(AMD-co-AAc)in response to different concentrations of HA solutions

        2.3.3Cd2+/HA/PAH/poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體層層組裝設(shè)計與表征

        將上述制備所得的HA/PAH/poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體浸入于一系列20 mL pH值為5.0的不同濃度Cd2+溶液。基于HA表面羧酸根與Cd2+的絡(luò)合作用[12,15],凝膠光子晶體衍射峰也發(fā)生移動。結(jié)果見圖7。

        圖7 凝膠光子晶體在不同濃度Cd 2+溶液中布拉格衍射峰變化Fig.7 Dependence of the diffraction wavelength of poly(AMD-co-AAc)in response to different concentrations of Cd 2+solutions

        如圖7所示,隨著 Cd2+溶液濃度從10-7mol·L-1逐漸增加到 10-3mol·L-1的過程中,衍射峰波長發(fā)生明顯紅移,先從最初的753 nm移至782 nm。然后,隨著Cd2+濃度繼續(xù)增加,布拉格衍射峰不再明顯移動。在HA/PAH/poly(AMD-co-AAc)凝膠光子晶體表面進行不同濃度的 Cd2+組裝時,隨著Cd2+濃度增大,基于HA表面羧酸根與Cd2+的絡(luò)合作用[12,15],凝膠產(chǎn)生溶脹,使得光子晶體的晶格參數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)Cd2+濃度增加到一定值時,凝膠溶脹達(dá)平衡狀態(tài),則衍射峰移至782 nm,說明Cd2+在凝膠光子晶體表面組裝達(dá)到飽和。通過衍射峰波長的測量,實現(xiàn)了對層層組裝進程的適時監(jiān)測。

        3 結(jié)論

        利用光子晶體的布拉格衍射峰對環(huán)境變化的敏感性,將凝膠光子晶體的信號自表達(dá)特性與層層組裝技術(shù)相結(jié)合,實現(xiàn)了在水溶液中通過測量光子晶體布拉格衍射峰的變化監(jiān)測層層組裝進程。與傳統(tǒng)的利用原子力顯微鏡觀察形貌相比,利用光纖光譜儀表征具有操作簡便,周期短的特點,并且可以做到適時監(jiān)測層層組裝的進程。

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