[发明专利]一种聚合物光子晶体微球、及其制备与应用

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明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，本发明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，按照本发明的一个方面，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；