亚稳态-稳态共存聚合胶体晶体的构筑与传感性能研究

Study on the fabrication, modulation and characterization of highly-ordered polymerized crystalline colloidal arrays (PCCA) are key foundation topics of sensor, information and analysis fields. To achieve structural diversification and thus expand its functionality and application scope, this project aims to fabricate a metastable-stable state coexist PCCA based on the polymer gelation process. By adjusting the metastable state lifetime and gelation conditions for preparation of a controllable structure gelatinized PCCA, to evaluate the sensing performance, focus on basic scientific questions in the modulation of crystalline structure and sensing performance. We expect that such metastable-stable state coexist PCCA not only possess complex controllable ordered structures and special optical properties, has also been given rich physical and chemical properties of the reversible gel material. This project will help to deepen the understanding of crystallization phase transition of CCA, to discover laws and mechanisms of structural transition during the gelatinized immobilization process of CCA, to reveal the relationship between the aggregation structure and sensing performance of PCCA, and lay the theoretical and technical basis for design and preparation of novel physical, chemical and biological sensors.

高度有序聚合胶体晶体(PCCA)的构筑、调制与表征研究是传感、信息、分析等领域的关键性基础课题。为实现结构多样化进而拓展其功能和应用范围，本项目提出基于聚合物凝胶化过程构筑亚稳态-稳态共存PCCA的新思路。通过调整亚稳态寿命和凝胶化条件制备晶体结构可控的凝胶化PCCA，评价其传感性能，重点研究材料结晶结构与传感性能调制中的基础科学问题。我们预期此类PCCA在具有复杂可控有序结构和特殊光学特性的同时，还被赋予了智能凝胶材料丰富的物理与化学特性。该项目的研究有助于深化理解胶体晶体(CCA)的结晶相变过程，探明凝胶化固定过程中的结构转变规律和机理，揭示PCCA聚集态结构与传感性能之间的关系，为新型物理、化学及生物传感器的设计与制备奠定理论和技术基础。

聚合胶体晶体是以聚合物凝胶为连续相、以周期性有序排列胶体颗粒为分散相的功能材料。利用凝胶的体积相变及胶体颗粒的周期性结构和功能，可望发展检测各类物理、化学和生物刺激的理想平台和载体，是多功能智能传感材料的重要发展方向。利用凝胶化反应对亚稳态及稳态结构胶体晶体及颗粒分散相进行固定，是实现悬浮颗粒分散体系材料化的有效方法。在本项目执行过程中，以凝胶固定化为手段，以冻结胶体晶体结构及胶体颗粒实现材料化过程为主线，设计和构建了几种具有实际应用价值和科学研究意义的分散体系固定化功能材料。在此思想的指导下，项目承担者以物理和化学凝胶为连续相，对各类分散颗粒如强静电排斥聚合物微球、纳米金颗粒、响应性凝胶微球等进行了固定化研究，探讨了这类材料化的分散体系在传感领域的应用前景。. 研究发现，胶体晶体的稳态结构(fcc结构)易于通过凝胶化过程固定，并根据连续相对压力及pH具有响应性。本研究创新性的以离子液体取代聚合胶体连续相中的溶剂，获得了具有三维有序结构的离子液体聚合胶体晶体(ILPCCA)。ILPCCA不仅具有稳态结晶结构和压力传感特性，而且结构可调，使聚合胶体晶体向材料化和实用化更近一步。探索表明，利用水凝胶固定纳米颗粒对深入了解凝胶基复合材料的聚集态结构有重要意义。因此，在聚合胶体晶体结构固定化的研究基础上，系统研究了聚合物凝胶固定金纳米棒颗粒的结构与传感性能，构建了稳定、灵敏的光学传感器，成功实现了对痕量金属离子的检测。此外，还制备了固定响应性水凝胶微球的聚合胶体材料，利用与指示剂的协同效应，实现了对pH的传感测量，取得了较好的结果。. 在基金委的资助下，本项目搭建了研究胶体晶体及凝胶固定化过程的平台，开展了相关研究，发表了相关学术论文并申请了专利。通过研究，加深了对胶体晶体有序结构固定化过程的理解，为认识复杂介质环境中聚合胶体晶体结构与性能的关系提供了新证据和新方法。探索了由悬浮分散体系通过凝胶固定化构建传感材料的影响因素和基本方法，也为构筑结构复杂、性能优异的新型智能传感材料和检测平台奠定了理论与技术基础。