武汉理工大学官建国教授团队研制出凝胶基光子纳米链，实现微环境的实时高分辨可视化检测
微环境的传感与成像可以揭示微小区域内的物理化学状态，对于微反应器，微流体系统，观测细胞以及生物组织中的扩散，传输，动态化学反应以及分子间的相互作用有着不可或缺的意义。目前，用于微环境传感与成像的光学传感器主要包括荧光染料和量子点等材料， 然而它们通常存在易于发生光漂白、猝灭或光闪烁行为从而导致其稳定性欠佳的问题。另外，这些光学传感器的检测原理通常是基于荧光强度或者荧光寿命变化。它们的颜色变化单调，仅限于从无色到有色或者从一种颜色到另一种颜色，需要借助复杂的仪器来分析光学信号和观测。光子晶体材料的结构色稳定、能在整个可见光谱范围内连续可调、检测精度高，能实现裸眼检测。但是现有的响应性凝胶基光子晶体传感器通常是以膜或微球形式存在的，尺寸大多在数百微米及以上。这导致它们不能应用于微环境的传感与成像检测，同时颜色分辨率低，被检测物质在其中的扩散距离大、变色速度慢。因此，大幅减少尺寸，提高颜色分辨率与对外界刺激的响应速度是实现响应性凝胶基光子晶体传感器应用于微环境传感与成像等领域亟待解决的问题和技术关键。
针对这一挑战，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室长江学者官建国教授团队在发明空间位阻型磁响应光子晶体（Advanced Materials, 2014, 26: 1058, doi: 10.1002/adma.201304134）的基础上，首次发展了磁场辅助的粒子组装体模板氢键诱导聚合技术，制备了将单根磁响应粒子链状有序纳米结构固定在响应性聚合物凝胶中的光子纳米链。由于这种光子纳米链直径仅为数十纳米，它对外界刺激的响应速率和颜色分辨率分别超过40毫秒和微米量级。这比以前报道的凝胶基光子晶体传感器均高出2-3个数量级以上。这个结果首次验证了将结构色用于微环境传感和成像的可行性，也将显著促进响应性光子晶体在显示和印刷领域中的应用。
图1. 光子纳米链的制备方法。利用磁场辅助粒子组装体模板氢键诱导聚合法制备可分散的凝胶基光子纳米链。它是由单尺寸的磁性胶体纳米晶束粒子在响应性聚合物壳层中等粒子间距排列而成的、类似豆荚状的单链一维结构。磁场辅助粒子组装体模板氢键诱导聚合法的关键在于：聚合反应发生前，单体与磁性粒子表面的聚乙烯吡咯烷酮通过氢键作用在粒子周围富集，形成单体的高浓度区域。它们在外磁场作用下组装成周围富集了高浓度单体的一维磁性光子晶体有序结构，并在紫外光引发下发生快速聚合转化为凝胶锁定一维磁性光子晶体有序结构。与此同时，其它区域中的预聚液由于单体浓度较低聚合速度较慢，依然保持液态。从而获得可单根分散的凝胶基光子纳米链，而不形成一维磁性光子晶体大块凝胶。
图2. pH响应型光子纳米链的显色以及变色机理。当外部环境发生变化时，光子链凝胶壳层的体积发生变化导致链的长度随之改变，链中粒子间的距离d也相应的变化，从而衍射出不同的结构色。值得注意的是光子链的颜色并不受到磁场大小变化的影响，从而确保了此种材料作为传感器的准确性。
图3. pH响应型光子纳米链的实时响应特性。通过设计如图a中所示的Y型微流体管道，并以3 µl/min的速率分别在a，b入口引入含有光子链的pH = 7.0的水溶液和pH = 1的酸性溶液。由comsol软件模拟可知，图b中的白色方框中的液体流速接近2.5 mm/s。图d中表明，光子链在100 μm的距离上完成了颜色从红到蓝的转变，从而可以计算出光子链的响应时间大概为40 ms [=距离(100 μm) /速度(2.5 mm/s)]. 这个结果比传统凝胶型光子晶体的响应时间高了2~3个数量级。
图4. pH响应性光子纳米链在微环境中实现高分辨实时可视化检测。通过在中性的含有光子链的缓冲溶液中滴入一滴酸性液滴，可以实时可视化地观测到氢离子在微环境中的扩散过程。
图5. 光子纳米链组成的调控。采用这种磁场辅助粒子组装体模板氢键诱导聚合法，通过更换不同的响应性凝胶单体，也可以制备出温度和溶剂等刺激响应性光子纳米链。另外，还可以通过对聚合过程中交联度含量的调节，得到刚度连续可调的纳米链，从而有望应用于高分子链的模拟以及磁控鞭毛运动微纳米机器人等领域。
以上成果发表在美国化学会期刊Nano Letters（Nano letters, 2018, doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04218）期刊上。论文的第一作者为罗巍博士，第二作者为本科生崔乾，通讯作者为官建国教授和马会茹副教授。
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b04218
官建国教授简介
官建国，博士、教育部长江学者特聘教授、武汉理工大学材料学科首席教授、材料科学与工程国际化示范学院教学院长、博士生导师，国家级“新世纪百千万人才工程”人选、湖北省高端人才引领培养计划首批人选，享受国务院政府特殊津贴，兼任中国微米纳米技术协会理事以及微纳执行器与微系统分会副理事长、总装某专家组成员等。是SCI国际期刊《Micromachines》和核心期刊《Journal of Wuhan University of Technology-Material Science Edition》、《功能材料》和《航空制造技术》等期刊的编委，也是国家科技奖励、“万人计划”青年拔尖人才和“长江学者奖励计划”评审专家、科技部863计划、国家重点研发计划和国家自然科学基金项目评审专家等，以及Adv Mater, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Nano Lett, ACS Nano和Energy Environ Sci等50余种国际著名学术期刊的特约审稿人。
他自1997年创建纳米复合技术与功能复合材料研究团队以来，致力于开展电磁功能复合材料、微纳米马达和响应性光子晶体研究。先后负责或领导研究团队承担了包括10项国家自然科学基金项目、4项国家863项目、6项重点型号材料配套项目、3项总装预研计划和1项国防科工委专项计划生产能力建设项目等在内的国家和省部级重点科研项目80余项。多项研究成果分别通过了教育部、中航工业、船总和航天科工集团的项目成果鉴定和产品鉴定，认定“综合技术水平居国内领先，达到了国际先进水平”，并被纳入国军标，实现了在多个国家重要军工型号装备上的规模化工程应用和产业化。在Chem Soc Rev、Adv Mater、Angew Chem Int Ed、Nano Lett、Adv Funct Mater、ACS Nano、Biotechnol Adv等SCI期刊上发表论文210余篇（其中2013-17年55篇），SCI引用近4000篇次，H因子为35，已获授权国家(或国防)发明专利31项（2013-17年12项）；作为会议主席，他成功举办了1st International Conference on Micro-/Nanomachines（Science期刊免费整版刊发了会议报道）等国际和全国学术会议，并受邀在国际或全国学术会议上作大会报告、特邀报告、专题报告或分会主席20余次。已获湖北省技术发明奖一等奖、军队科技进步一等奖和湖北省教学成果一等奖等省部级科技和教学成果奖励9项，以及“高技术武器装备发展建设工程有功个人”等荣誉称号。
他指导培养博士、硕士研究生和博士后140余人，其中近20人已成长为二级教授、国家优青、上市公司或国有企业技术总监或副总经理，或自己成功创办企业成为总裁。
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