磁組裝輔助乳滴模板聚合法制備pH響應(yīng)光子晶體微傳感器

摘要：為了解決響應(yīng)性光子晶體微傳感器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、檢測(cè)精度不穩(wěn)定的問(wèn)題，采用磁組裝輔助乳滴模板聚合法制備一種可快速可視化監(jiān)測(cè)局部微環(huán)境pH的響應(yīng)光子晶體微傳感器，采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀和光纖光譜儀等對(duì)制得的pH響應(yīng)光子晶體微傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)與性能表征，研究該微傳感器在不同pH溶液中的響應(yīng)變色性能、響應(yīng)時(shí)間和循環(huán)穩(wěn)定性。結(jié)果表明：該微傳感器直徑約為8μm，微觀結(jié)構(gòu)為嵌有周期性組裝磁性膠體粒子鏈的響應(yīng)性凝膠微球；當(dāng)介質(zhì)環(huán)境pH由3.6變化到7.8時(shí)，該微傳感器衍射光波長(zhǎng)從443nm紅移到641nm，結(jié)構(gòu)色從藍(lán)色變成紅色；該微傳感器響應(yīng)快，響應(yīng)時(shí)間為3s，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，并在保存30d后仍保持良好的檢測(cè)性能。

關(guān)鍵詞：響應(yīng)性光子晶體；微傳感器；pH響應(yīng)；響應(yīng)時(shí)間

中圖分類(lèi)號(hào)：O734

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Tosolvetheproblemoflongresponsetimeandunstabledetectionaccuracyofresponsivephotoniccrystalmicrosensors，akindofphotoniccrystalmicrosensorsforrapidlydetectingandvisualizinglocalmicroenvironmentalpHwaspreparedbyusingthemagneticassemblyassistedemulsiondroplettemplatepolymerizationmethod.StructureandperformancesofthepHresponsivephotoniccrystalmicrosensorswerecharacterizedbyusingfieldemissionscanningelectronmicroscope，transmissionelectronmicroscope，F(xiàn)ouriertransforminfraredspectrometer，andfiberopticalspectrometer.Responsediscolorationperformance，responsetime，andcyclicalstabilityofthemicrosensorsindifferentpHsolutionswereresearched.Theresultsshowthatdiametersofthemicrosensorsareabout8μm，whosemicrostructuresareresponsivegelmicrospheresembeddedwithperiodicallyassembledmagneticcolloidalparticlechains.WhenmediumenvironmentpHvalueschangefrom3.6to7.8，diffractionlightwavelengthsofthemicrosensorsredshiftfrom443nmto641nm，andthestructuralcolorchangefrombluetored.Themicrosensorsresponserapidlywiththeresponsetimeof3s，havegoodcyclicalstability，andcanmaintaingooddetectionperformanceafterstorageforupto30d.

Keywords：responsivephotoniccrystal;microsensor;pHresponse;responsetime

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52073222）

第一作者簡(jiǎn)介：余政（1996—），男，湖北武漢人。碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒓{米機(jī)器人。Email：yuzheng1996@whut.edu.cn。

通信作者簡(jiǎn)介：牟方志（1981—），男，重慶云陽(yáng)人。研究員，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⒓{米機(jī)器人。Email：moufz@whut.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：https：//kns.cnki.net/kcms/detail/37.1378.N.20230325.1754.002.html

局部微環(huán)境的物理化學(xué)狀態(tài)，如局部黏度［1-3］、極性［4-7］、溫度［8-11］、氧化還原［12-14］和pH［15-16］等，控制微反應(yīng)器、細(xì)胞和組織中物質(zhì)擴(kuò)散、能量傳輸、反應(yīng)速率和分子間相互作用等。其中，pH異常或pH變化通常被認(rèn)為是癌、腦卒中、阿爾茨海默病等多種疾病的標(biāo)志。例如，正常細(xì)胞組織周?chē)膒H約為7.4，但當(dāng)出現(xiàn)癌變組織時(shí)pH會(huì)減小至約6.5。胃部微環(huán)境的正常pH為0.8～1.9，但當(dāng)胃部發(fā)生病變時(shí)pH將會(huì)增大［17］。準(zhǔn)確檢測(cè)活細(xì)胞或組織周?chē)h(huán)境pH的變化對(duì)于研究生理病理過(guò)程非常重要。

目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多用于監(jiān)測(cè)微環(huán)境pH的微傳感器，其中，熒光納米探針是目前較為成熟、被廣泛應(yīng)用的微傳感器。Liu等［18］報(bào)道了一種電荷轉(zhuǎn)移熒光pH傳感器，該傳感器通過(guò)苯并噻唑和吡啶的乙烯連接構(gòu)建，對(duì)pH具有特殊的熒光響應(yīng)，其酸離解常數(shù)pKa為4.22，斯托克斯位移較大；當(dāng)pH從3.2增加到5.2時(shí)，熒光強(qiáng)度增強(qiáng)約22倍。此外，該傳感器還用于靶向酸性微環(huán)境的巨噬細(xì)胞以及成像細(xì)胞內(nèi)的pH測(cè)試。Schulz等［19］設(shè)計(jì)了一種基于聚丙烯酰胺納米凝膠的pH納米熒光傳感器，當(dāng)周?chē)鷓H逐漸增大時(shí)，該傳感器出現(xiàn)2次明顯的發(fā)射色變化，并由此測(cè)定活細(xì)胞的pH。pH熒光探針大都存在生物相容性差、易光漂白、易猝滅的問(wèn)題，而且其傳感方式為一次性傳感，循環(huán)使用性差。

響應(yīng)性光子晶體（responsivephotoniccrystal，RPC）是一種可對(duì)外界刺激響應(yīng)而智能調(diào)整衍射特性和結(jié)構(gòu)色的周期性結(jié)構(gòu)材料［20］，目前已廣泛應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域。RPC主要通過(guò)將結(jié)構(gòu)基元周期性組裝于響應(yīng)性聚合物基體中進(jìn)行構(gòu)建。當(dāng)外界電場(chǎng)、溫度、濕度、pH、特定分子或離子濃度等條件改變時(shí)，RPC隨著響應(yīng)性聚合物基體的形變而改變其晶格常數(shù)或折射率等，從而呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)色［21］。目前，利用響應(yīng)性光子晶體構(gòu)筑的光子晶體傳感器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)色實(shí)現(xiàn)對(duì)液體介質(zhì)中pH結(jié)構(gòu)色檢測(cè)。Tian等［22］制備了一種基于聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸的蛋白石結(jié)構(gòu)凝膠膜，當(dāng)pH為3.3～6.7時(shí)可觀察到衍射峰波長(zhǎng)的位移（約80nm），響應(yīng)時(shí)間約為60s。Li等［23］通過(guò)旋涂法制備了一種具有反蛋白石結(jié)構(gòu)的光子晶體膜傳感器，該傳感器pH檢測(cè)范圍為3～5時(shí)，衍射光波長(zhǎng)可以從502nm藍(lán)移到471nm。上述傳感器的缺陷是尺寸較大，達(dá)到厘米級(jí)，無(wú)法檢測(cè)微環(huán)境的物理化學(xué)信號(hào)，同時(shí)導(dǎo)致凝膠體積變化減慢，延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。更重要的是，在傳感器制備過(guò)程中，大體積水凝膠容易產(chǎn)生內(nèi)部組分分布不均的問(wèn)題，導(dǎo)致水凝膠結(jié)構(gòu)的膨脹或收縮程度不一，周期性結(jié)構(gòu)晶格間距一致性降低，影響檢測(cè)精度。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文中利用磁組裝輔助乳滴模板聚合法制備內(nèi)部含有周期性結(jié)構(gòu)粒子鏈的pH響應(yīng)光子晶體微傳感器，研究傳感器在不同pH時(shí)的變色性能以及在可見(jiàn)光波段的可視化傳感性能。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與材料

實(shí)驗(yàn)用試劑及材料包括：丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）、α羥基異丁酰苯（HMPP）、N，N′-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS），均為分析級(jí)，阿拉丁試劑有限公司；山梨糖醇單油酸酯（Span80）、液體石蠟，均為分析級(jí)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司；核-殼型四氧化三鐵（Fe3O4）-聚乙烯吡咯烷酮（Fe3O4@PVP）磁性膠體粒子，粒徑為150nm，依據(jù)文獻(xiàn)［24］自制。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1傳感器制備

pH響應(yīng)光子晶體微傳感器的制備過(guò)程見(jiàn)圖1。首先，取體積為30mL液體石蠟加入到三口燒瓶中，再加入質(zhì)量為0.3gSpan80，設(shè)置機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速為500r/min，攪拌15min，使Span80充分分散到液體石蠟中，為后續(xù)親水成分乳化充分提供保障。配制預(yù)聚液：將0.709g親水性單體AM、0.645gpH響應(yīng)性單體AA、0.015g交聯(lián)劑BIS、0.1g光引發(fā)劑HMPP依次加入到含有1.9g去離子水的試管中，每加入一種試劑后超聲分散30s，以保證混合均勻。為了防止光照使預(yù)聚液提前聚合，在全部加入完試劑后將試管用鋁箔紙包裹，隨即放入超聲儀充分分散。

然后，取1mL含有Fe3O4@PVP磁性納米粒子的溶液進(jìn)行離心分離，加入乙醇繼續(xù)清洗，重復(fù)3次，然后用去離子水超聲清洗、離心分離，重復(fù)3次。清洗、分離完成后，在含有磁性膠體粒子的離心管中加入0.5mL預(yù)聚液，同樣用鋁箔紙包裹后超聲分散。將試管內(nèi)所有液體用移液槍吸取，慢慢滴入正在攪拌的含有Span80的液體石蠟內(nèi)，滴完后繼續(xù)攪拌15min，使其充分乳化。

最后，取5mL乳化好后的溶液，放入磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.01T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，保持30s，使乳液滴中的磁性膠體粒子規(guī)則組裝形成光子晶體鏈。用功率為1000W的紫外燈照射4min，使磁性膠體粒子聚合交聯(lián)形成凝膠微球。之后分別用環(huán)己烷和乙醇分別清洗3次，去除上清液后，即得到pH響應(yīng)光子晶體微傳感器，加入去離子水配成質(zhì)量濃度為1g/L的微傳感器懸浮液備用。

1.2.2結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

HitachiS-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，日本日立公司）用于對(duì)樣品表面形貌進(jìn)行觀察表征，JEM-2100F型場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡（TEM，日本電子株式會(huì)社）用于對(duì)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；Nicolet6700型傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀（美國(guó)賽默飛儀器有限公司）用于分析樣品的化學(xué)組成；USB2000+型光纖光譜儀（海洋光學(xué)亞洲公司）測(cè)試樣品在不同pH環(huán)境中的光譜。

1.2.3傳感性能測(cè)試

分別配制醋酸-醋酸鈉緩沖溶液和磷酸鹽緩沖溶液，利用pH計(jì)分別調(diào)節(jié)pH為3.6～5.8、5.8～7.8。取50μL上述微傳感器混合液滴加到載玻片，將液滴置于顯微鏡視野中心。打開(kāi)光學(xué)顯微鏡暗場(chǎng)模式，調(diào)整顯微鏡曝光對(duì)焦直至圖像清晰，同時(shí)啟用三維磁場(chǎng)中的z軸磁場(chǎng)，將z軸設(shè)置為直流電源，使其產(chǎn)生垂直向上的磁場(chǎng)，然后滴加過(guò)量的不同pH的混合液，記錄滴加前和滴加后的圖像。采用光纖光譜儀進(jìn)行定量測(cè)量，將微傳感器分散于待測(cè)的不同pH溶劑中，利用釹鐵硼永磁鐵調(diào)節(jié)光子鏈的取向，向裝有待測(cè)樣品的試管插入光譜探頭進(jìn)行衍射光波長(zhǎng)及反射率的測(cè)試。

2結(jié)果與討論

2.1結(jié)構(gòu)表征

通過(guò)磁組裝輔助乳滴模板聚合法制得的pH響應(yīng)光子晶體微傳感器在去離子水中的明場(chǎng)光學(xué)顯微鏡圖像如圖2（a）所示，由圖可直觀地觀察到該微傳感器呈現(xiàn)出球形，直徑約為8μm，內(nèi)部光子晶體鏈平行排列。圖2（b）為該微傳感器的SEM圖像，從圖中可以觀察到該微傳感器表面較粗糙，形狀略呈橢球形，這是由制樣時(shí)水凝膠結(jié)構(gòu)失水，在不同方向收縮程度不同導(dǎo)致的。圖中顯示微傳感器直徑約為2μm，與觀察到水溶液中微傳感器直徑相比小了很多，原因是干燥后的微傳感器內(nèi)部水分消失，水凝膠結(jié)構(gòu)收縮，體現(xiàn)了該微傳感器巨大的形變量。從TEM圖像（圖2（c））中可以看到，黑色的Fe3O4@PVP磁性膠體粒子排列成了均勻分布的周期性結(jié)構(gòu)，其中每條鏈中的每個(gè)Fe3O4@PVP磁性膠體粒子間距較均勻，這種周期性結(jié)構(gòu)是進(jìn)行光子晶體結(jié)構(gòu)光衍射的重要條件。

2.2紅外光譜表征

對(duì)pH響應(yīng)光子晶體微傳感器進(jìn)行紅外光譜表征，結(jié)果如圖3所示。波數(shù)為3416、3204cm-1處的特征峰對(duì)應(yīng)聚AA-co-AM聚合物中AM的N—H鍵，1663cm-1處的特征峰歸屬于聚AA-co-AM中AA和AM中的羰基（CO），1420cm-1處的特征峰為PVP的特征峰，570cm-1處的特征峰歸屬于Fe3O4中的Fe—O振動(dòng)峰，直觀地表明AA和AM均存在于微傳感器中。

2.3光學(xué)性能

凝膠微球中的磁性膠體粒子呈周期性鏈狀排列，其周期性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了光子禁帶，最終導(dǎo)致特定波長(zhǎng)的光無(wú)法傳播而產(chǎn)生布拉格衍射，使得光子晶體微傳感器能夠衍射出一定波長(zhǎng)的光，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色。布拉格衍射表達(dá)式為

mλ=2ndsinθ，（1）

式中：m為衍射級(jí)數(shù)；λ為衍射峰的波長(zhǎng)；d為粒子的晶格間距；n為折射率；θ為入射光與光子晶體鏈的夾角。

圖4為所制得的pH響應(yīng)光子晶體微傳感器的暗場(chǎng)光學(xué)顯微鏡圖像。從圖中可以看出，當(dāng)利用磁場(chǎng)使光子晶體微傳感器豎直取向（θ=90°）時(shí)，它們呈現(xiàn)出亮麗的紅色結(jié)構(gòu)色。

2.4傳感性能

當(dāng)介質(zhì)環(huán)境的pH發(fā)生改變時(shí)，光子晶體微傳感器將呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)色，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微區(qū)環(huán)境pH的傳感與成像，具體原理如圖5（a）所示。當(dāng)微傳感器周?chē)h(huán)境的pH增大時(shí)，水凝膠結(jié)構(gòu)中丙烯酸的羧基去質(zhì)子化程度也隨之增加，使得基團(tuán)帶負(fù)電，基團(tuán)之間的排斥力增大，因此水凝膠結(jié)構(gòu)吸水膨脹，光子晶體微傳感器中Fe3O4@PVP磁性膠體粒子排列形成的周期性結(jié)構(gòu)的晶格間距d增大，根據(jù)布拉格衍射定律，最終導(dǎo)致衍射光波長(zhǎng)增大，發(fā)生紅移。

反之，當(dāng)微傳感器周?chē)h(huán)境的pH減小時(shí)，水凝膠結(jié)構(gòu)中丙烯酸的羧基質(zhì)子化程度也隨之增大，基團(tuán)帶電減弱，基團(tuán)之間的排斥力減小，因此水凝膠結(jié)構(gòu)失水收縮，晶格間距d減小，最終導(dǎo)致衍射光的波長(zhǎng)減小，發(fā)生藍(lán)移。更重要的是，這種根據(jù)周?chē)h(huán)境pH不同而產(chǎn)生的膨脹與收縮是可逆的，表明該微傳感器在檢測(cè)時(shí)可以重復(fù)使用，同時(shí)這種檢測(cè)方式是實(shí)時(shí)并且肉眼可見(jiàn)的。

圖5（b）所示為pH響應(yīng)光子晶體微傳感器在不同pH時(shí)的結(jié)構(gòu)色暗場(chǎng)顯微鏡圖像。當(dāng)環(huán)境pH為3.6、4.4和7.8時(shí)，光子晶體微球分別呈現(xiàn)出藍(lán)色、綠色和紅色的結(jié)構(gòu)色，表明其具良好的pH響應(yīng)性變色能力和較寬的變色范圍。利用光纖光譜儀精確測(cè)量各衍射光所對(duì)應(yīng)的衍射峰位置，結(jié)果見(jiàn)圖5（c）。當(dāng)環(huán)境pH為3.6、4.4和7.8時(shí)，光子晶體微球的衍射峰分別位于波長(zhǎng)為443、573、641nm處。由衍射光波長(zhǎng)隨pH的變化（圖5（d））可知，所制得的微傳感器的衍射光波長(zhǎng)隨著pH增大而紅移，同時(shí)衍射光波長(zhǎng)隨pH變化的趨勢(shì)呈現(xiàn)出2個(gè)階段。第1個(gè)階段pH在3.6～4.8變化時(shí)，衍射光波長(zhǎng)隨pH變化較為顯著。由于制備微傳感器時(shí)所采用的pH響應(yīng)單體丙烯酸的pKa為4.26，當(dāng)pH=4.26時(shí)，丙烯酸電離發(fā)生突變，導(dǎo)致水凝膠結(jié)構(gòu)大量失水或吸水，磁性粒子的晶格間距顯著變化，因此衍射光波長(zhǎng)產(chǎn)生大幅度變化。第2個(gè)階段pH在4.8～7.8變化時(shí)，衍射光波長(zhǎng)變化趨緩，但仍可以看出其結(jié)構(gòu)色將從淺橙色變化至深紅色。結(jié)合以上顯微鏡觀察和光譜分析表明，該光子晶體微傳感器具有良好的pH響應(yīng)性變色能力和較寬的變色范圍，因此可對(duì)微環(huán)境pH進(jìn)行傳感與監(jiān)測(cè)。

2.5響應(yīng)速率及循環(huán)穩(wěn)定性

傳感器的快速響應(yīng)是對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要保障，所制得的pH響應(yīng)光子晶體微傳感器的響應(yīng)時(shí)間及循環(huán)穩(wěn)定性見(jiàn)圖6。當(dāng)環(huán)境pH為7.8時(shí)，微傳感器衍射光波長(zhǎng)為650nm，隨后滴加pH為3.6的緩沖溶液并開(kāi)始計(jì)時(shí)。從圖6（a）中可以看到：當(dāng)pH較小的緩沖溶液滴入時(shí)，微傳感器衍射光波長(zhǎng)逐漸藍(lán)移，僅用時(shí)3s其結(jié)構(gòu)色就達(dá)到穩(wěn)定。同樣地，當(dāng)環(huán)境pH由3.6變?yōu)?.8時(shí)，所制得的微傳感器也表現(xiàn)出了相似的響應(yīng)速度，因此，該微傳感器具有快速響應(yīng)的特點(diǎn)，在3s內(nèi)即可完成整個(gè)可見(jiàn)光波段的變化（波長(zhǎng)為450～650nm），可以實(shí)現(xiàn)微環(huán)境的快速檢測(cè)。光子晶體微傳感器快速響應(yīng)性能主要得益于其尺寸小（直徑小于10μm），使氫離子（H+，擴(kuò)散系數(shù)D=9.31×103μm2/s）可以快速擴(kuò)散進(jìn)入或滲出凝膠微球，從而產(chǎn)生快速pH響應(yīng)的體積變化及結(jié)構(gòu)色改變。

循環(huán)穩(wěn)定性也是評(píng)估傳感器性能的指標(biāo)之一。為了證明pH響應(yīng)光子晶體微傳感器的循環(huán)使用性，本文中測(cè)試了放置時(shí)間為1、30d的傳感器在pH從7.8減小到3.6時(shí)的衍射光波長(zhǎng)的循環(huán)穩(wěn)定性。由圖6（b）可以看到：隨著pH的變化，衍射光波長(zhǎng)也在改變，但峰位基本沒(méi)有變化，波長(zhǎng)誤差小于20nm。同時(shí)，當(dāng)樣品放置30d后，該微傳感器仍然具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性，且峰位與放置1d測(cè)試的結(jié)果基本沒(méi)有差別，表明其傳感性能可以保持30d以上。光子晶體微傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性也得益于其小尺寸的特點(diǎn)，球形結(jié)構(gòu)使得其水凝膠結(jié)構(gòu)可以各向均勻地膨脹與收縮，相比之下，膜傳感器只能在一維方向上膨脹收縮，同時(shí)微傳感器傳感原理只涉及到分子的電離與質(zhì)子化，以及凝膠的收縮與膨脹，不涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，最重要的是結(jié)構(gòu)色是因物理結(jié)構(gòu)存在而生成的，因此微傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性較好。

3結(jié)論

本文中利用磁組裝輔助乳滴模板聚合法成功制備了內(nèi)部含有周期性結(jié)構(gòu)粒子鏈的pH響應(yīng)光子晶體微傳感器，其直徑約為8μm。結(jié)合暗場(chǎng)顯微鏡觀察和光譜分析，證實(shí)該光子晶體微傳感器具有良好的pH響應(yīng)性變色能力和較寬的變色范圍。當(dāng)pH=3.6～7.8時(shí)，微傳感器衍射光波長(zhǎng)為443～641nm，結(jié)構(gòu)色由藍(lán)色變?yōu)樯罴t色，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微環(huán)境pH的可視化傳感與監(jiān)測(cè)。此外，該光子晶體微傳感器響應(yīng)快，僅需3s即可實(shí)現(xiàn)pH從3.6到7.8的整個(gè)可見(jiàn)光波段結(jié)構(gòu)色變化并達(dá)到穩(wěn)定，同時(shí)，該微傳感器還具備良好的循環(huán)穩(wěn)定性，傳感性能可以保持30d以上，可以為微反應(yīng)器、腫瘤診斷等提供一種快速、可視化的微區(qū)pH監(jiān)測(cè)手段。

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（責(zé)任編輯：劉飚）