【期刊】追踪空心球光子晶体中的溶剂扩散，实现高精度可视化传感 | Research

近期，美国加州大学河滨分校殷亚东教授与华东师范大学葛建平教授团队报道了一种以空心聚合物球为组装基元的光子晶体传感器，通过测量溶剂在其中的饱和扩散时间，可实现包括同系物及同分异构体在内的有机溶剂的高精度可视化传感。相关研究以“High-Precision Colorimetric Sensing by Dynamic Tracking of Solvent Diffusion in Hollow-Sphere Photonic Crystals”为题发表在Research上。

Citation：Qianqian Fu, Jianping Ge, Chen Chen, Zichen Wang, Fan Yang, Yadong Yin, "High-Precision Colorimetric Sensing by Dynamic Tracking of Solvent Diffusion in Hollow-Sphere Photonic Crystals", Research, vol. 2022, Article ID 9813537, 11 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9813537

研究背景

化学物质及有机污染物的检测在食品工程、农业生产及环境污染监测等诸多领域具有重要的应用价值。目前，分析具有相似结构与性质的化学物质往往需要昂贵的仪器及复杂的数据分析。因此，开发高灵敏度、低成本、便携式新型传感器，尤其是能够将化学信号转化为可视化信号的智能传感器，其需求日益增加。

研究进展

殷亚东教授与葛建平教授研究团队采用酚醛树脂空心球胶粒为组装基元制备了一种光子晶体薄膜作为新型传感元件。该材料中独特的空心球组装基元使得溶剂分子在薄膜中的扩散呈现出有趣的三段式扩散行为，即溶剂分子先渗透并填充胶粒间隙，聚合物壳层随后发生溶胀，溶剂最终进入并填充空心球内部（图1）。

图1  溶剂在光子晶体薄膜中三段式扩散所导致的结构色变化

通过原位动态反射光谱监测及有限元理论模拟对溶剂扩散进行深入研究，发现聚合物壳层的溶胀是其中的决速步骤。因此，通过溶剂扩散过程中光子晶体反射波长及其饱和扩散时间的双通道信息变化，可对常见极性溶剂进行准确区分（图2）。

图2  通过动态反射光谱实现常见极性溶剂检测

除了利用光谱，还可通过肉眼追踪光子晶体薄膜的结构色变化，确定饱和扩散时间，从而实现常见溶剂的可视化判别。值得一提的是，溶剂在聚合物中的扩散速率不仅与其本身的理化性质有关，还取决于溶剂分子与聚合物之间的相互作用，这种多维度的影响因素赋予该光子晶体传感器优越的选择性与灵敏度。因此能够实现具有相似结构与性质的同分异构体与同系物的精确可视化识别（图3）。

图3  基于空心球光子晶体的可视化化学传感

未来展望

这种新型光子晶体智能传感器具有低功耗、可视化、高精准等特性，且无需依赖昂贵的仪器及复杂的数据分析，在环境监测、防伪材料以及水醇体系定量检测中具有广阔的应用前景。

作者简介

殷亚东，加州大学河滨分校终身教授。主要从事纳米结构材料的合成、自组装、胶体界面性质及应用等研究。在国际知名期刊发表论文400余篇，被引用5.8万余次，在新型光功能纳米材料以及光子晶体印刷术等领域具有重要的国际影响力。曾获得2009年Cottrell Scholar Award、2010年 DuPont Young Professor Grant、2010年3M Nontenured Faculty Grant、2016年 Nano-Micro Letters Researcher Award、2020年 MRS Fellow以及2022年Langmuir Lectureship Award等诸多奖项。

葛建平，华东师范大学教授，博士生导师。主要从事“胶体光子晶体功能材料”研究，发展了一系列基于磁响应光子晶体、液态胶体光子晶体体系的新型智能响应光学材料；在国际学术期刊上发表研究论文120余篇，引用1.1万余次。曾获得国家优秀青年科学基金，国家特支计划青年拔尖人才，上海市浦江人才，启明星计划，曙光计划等人才计划资助。

期刊简介

《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表先进能源、先进制造、先进材料、人工智能、环境科学、柔性电子、健康科学、信息科学、微纳科技、量子信息、空间科学，11个热点交叉领域突破性原创研究成果。主编(中国)为中国科协副主席，中国科学院院士包为民，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。第二届编委会由许宁生、高松、黄如、李兰娟、饶子和、俞书宏、崔铁军等国内外50余位院士在内的170位编委组成。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、SCIE、INSPEC、PMC、Scopus、SAO/NASA Astrophysics Data System数据库收录。

欢迎相关领域的科学家们踊跃投稿，关注和使用期刊的出版内容。

网址：

https://spj.sciencemag.org/research/

e-ISSN: 2639-5274

p-ISSN: 2096-5168

CN: 10-1541/N

DOI Prefix: 10.34133

Research科学研究

关注交叉学科热点领域

扩展阅读

 

蔻享学术平台，国内领先的一站式科学资源共享平台，依托国内外一流科研院所、高等院校和企业的科研力量，聚焦前沿科学，以优化科研创新环境、传播和服务科学、促进学科交叉融合为宗旨，打造优质学术资源的共享数据平台。

版权说明：未经授权严禁任何形式的媒体转载和摘编，并且严禁转载至微信以外的平台！

---

原创文章首发于蔻享学术，仅代表作者观点，不代表蔻享学术立场。

转载请在『蔻享学术』公众号后台留言。

点击阅读原文～发现惊喜！