光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展

光子晶体应用于化学及生物传感器的研究进展

段廷蕊 李海华 孟子晖* 刘烽 都明君

(北京理工大学化工环境学院 北京 100081)

摘 要 光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料,它具有尺度为光波长量级的重复结构单元,通过对这些结构单元的合理设计,可以调控光子晶体

的光学性质。近年来,光子晶体不仅在药物释放、光学开关、金属探针领域取得了广泛的应用,也为化学及生

物传感器领域提供了新的检测原理和手段。本文概述了光子晶体的制备方法及近年来该技术在化学及生物

传感器领域中的应用研究。

关键词 光子晶体 水凝胶 化学传感器 生物传感器 分子识别

Application of Photonic C rystals in C hemical and Bio-sensors

Duan Tingrui,Li Haihua,Meng Zihui*,Liu Feng,Du Mingjun

(School of Chemical&Environ mental Engineering,Beijing Institu te of T echnology,Beijing100081)

Abstract Photonic crystals are periodical materials which are made by periodically arrangement of more than two materials with different reflective index.Photonic crystals have periodical and repeated unit structure with nanometer scale,

and its optical properties can be tuned by reasonably desi gni ng of the structure units.Photonic crystals have been applied not

only in clinical diagnosis,drug deli very,optical swi tches,ion probe,but also in biosensors and chemical sensors.Here the preparati on methods and applications in sensors field of photonic crystals are su mmarized.

Keywords Photonic crystals,Hydrogel,Chemical sensor,Biosensors,Molecular recognition

1 光子晶体的概念及其结构特性

光子晶体(photonic crystals)是1987年Yablonovitch和John等在研究自辐射和光子局域化时分别提出的。光子晶体是由两种以上具有不同折光指数的材料在空间按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料。电磁波在这种具有周期性结构的材料中传播时会受到由电介质构成的周期势场的调制,从而形成类似于半导体能带结构的光子能带(photonic band)。光子能带之间可能会出现带隙,即光子带隙(photonic bandgap,简称PBG)。具有PB G的周期性介电结构即光子晶体,或称作光子带隙材料,也有人把它叫做电磁晶体。

光子晶体中,周期性排列的重复结构单元的尺度是光波长量级,根据重复结构循环的维数,可分为一维、二维和三维光子晶体(图1)。就像半导体中原子点阵可以控制电子传播一样,光子晶体中不同折光指数的周期性排列结构可以控制一定频率的光的传播。光子带隙或禁带是指一个频率范围,频率在此范围的电磁波不能在光子晶体里传播,而频率位于导带的电磁波则能在光子晶体里几乎无损地传播。带隙的宽度和位置与光子晶体的折光指数、周期排列的结构尺寸及排列规则都有关系。但与电子相比,光子具有更多的信息容量、更高的效率、更快的响应速度以及更低的能量损耗。光子晶体作为一种新型的信息传导材料,已成为学术界的一个研究热点[1~5],王玉莲、顾忠泽等[6~8]发表过相关的综述和文章,宋延林等[9,10]近年来报道的具有荧光特性的光子晶体在光学器件领域显示了良好的应用前景。

国家自然科学基金项目(20775007)和863计划项目(2007AA10Z433)资助

2008-06-30收稿,2008-09-29接受

图1 光子晶体的周期性结构Fig.1 Periodically s tructure of Photonic Crys tals 2 光子晶体的制备方法

光子晶体的制备方法有许多,早期的光子晶体多用半

导体制造技术来制备。近年来随着智能光子晶体凝胶的兴

起,各种自组装技术和模板法被广为应用。李燕等在2006

年对光子晶体的制备方法进行了较详尽的综述[11]。

2 1 精密机械加工法

精密机械加工法是早期研究光子晶体过程中发展起来

的方法,通过在基体材料上机械钻孔,利用空气介质与基体

材料的折光指数差来获得光子晶体[12]。但这种方法只能

加工微波波段的光子晶体,要制备折射光从近红外到可见

光波段的光子晶体必须寻求其它方法。2 2 半导体制造技术

制造亚毫米和远红外波段的光子晶体,需要采用激光光刻、电子束刻蚀、反应离子束刻蚀等先进的

半导体制备技术。其中,逐层叠加(Layer -by -Layer,LBL)方法被广泛地应用于光子晶体的加工[13]。但

是,半导体制造技术在工艺上过于复杂,受目前刻蚀技术和工艺的局限,制作更短波长的三维光子晶体以及向晶体中引入缺陷态等方面仍存在很大的困难。

2 3 胶体自组装法

近红外到可见光波段的三维光子晶体的制备技术是光子晶体研究中的难点之一。目前,构造三维光子晶体唯一简单可行的方法是利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备,称为聚合胶体晶体阵列(polymerized crystalline c olloidal arrays,PCC A)。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米数量级,故可以生长出近红外到可见光波段的三维光子晶体。胶体的自组装过程可发生于重力场、离心场和电场中,也可利用模板法和颗粒连续对流方法进行。

重力场下的胶体自组装过程模仿了自然界中蛋白石(opal)的形成过程,利用单分散胶体颗粒悬浮液溶剂的挥发,使胶体颗粒在重力场下自组装生长到基片上,形成光子晶体[14,15]

。该法制备工艺简单,样品厚度可控,对实验装置无特殊要求,是目前光子晶体研究领域比较广泛采用的方法;但其缺点是:制备周期长,一般需要数周以上;在重力场下悬浮液中颗粒的沉降包含了许多复杂的过程,如重力沉降、扩散、晶化等过程,容易形成多晶区域。

在重力场下,胶体颗粒过小或过大时,自组装过程较难发生。胶体颗粒过小(<300nm)时,需沉降数周,甚至因重力沉降与布朗运动相抵消而导致无法沉积;胶体球过大(>550nm),沉降速度太快,难以

获得有序排列。为此,可以利用带电胶体颗粒在溶液中的电泳现象来控制这些颗粒沉降的速度[16~18],

该方法利用外加电场的大小和方向来为带电的胶体颗粒加速(小颗粒)或减速(大颗粒),使自组装过程在数分钟内完成。

在离心力场中,胶体颗粒也会加速沉降,有利于快速生长出尺寸较大的光子晶体。利用离心场进行自组装的最大优点是样品制备周期短,只需数小时就可以得到有序密堆积的样品[19]。但是,在离心力作用下,颗粒被强制快速堆积,每个颗粒所处的位置不一定是位能最小处,从而影响了材料的长程有序性,因此离心力的大小成为了决定光子晶体质量的关键。

运用模板自组装法可得到具有反蛋白石结构的光子晶体。在模板法中,二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等胶体小球作为硬模板可排列成胶体晶体,而一些生物骨架、病毒以及植物组分作为软模板也可在三维结构中形成规则的周期性结构。模板结构通过氢氟酸蚀刻,煅烧和高温分解的方法除去

后,便在材料的骨架上产生规则的孔隙结构。模板法制备方法简单、成本低廉,故受到普遍关注[20],也

是制备生物化学传感器常用的方法。Stein 等最近就这一领域发表了一篇综述[21],概括了如何控制反蛋白石的内部结构和外部形态、如何通过化学组成的调控使其功能化以及如何将其整合入各种应用系统等。