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  微環(huán)境的傳感與成像可以揭示微小區(qū)域內(nèi)的物理化學(xué)狀態(tài)，對(duì)于微反應(yīng)器，微流體系統(tǒng)，觀測(cè)細(xì)胞以及生物組織中的擴(kuò)散，傳輸，動(dòng)態(tài)化學(xué)反應(yīng)以及分子間的相互作用有著不可或缺的意義。目前，用于微環(huán)境傳感與成像的光學(xué)傳感器主要包括熒光染料和量子點(diǎn)等材料， 然而它們通常存在易于發(fā)生光漂白、猝滅或光閃爍行為從而導(dǎo)致其穩(wěn)定性欠佳的問題。另外，這些光學(xué)傳感器的檢測(cè)原理通常是基于熒光強(qiáng)度或者熒光壽命變化。它們的顏色變化單調(diào)，僅限于從無色到有色或者從一種顏色到另一種顏色，需要借助復(fù)雜的儀器來分析光學(xué)信號(hào)和觀測(cè)。光子晶體材料的結(jié)構(gòu)色穩(wěn)定、能在整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)、檢測(cè)精度高，能實(shí)現(xiàn)裸眼檢測(cè)。但是現(xiàn)有的響應(yīng)性凝膠基光子晶體傳感器通常是以膜或微球形式存在的，尺寸大多在數(shù)百微米及以上。這導(dǎo)致它們不能應(yīng)用于微環(huán)境的傳感與成像檢測(cè)，同時(shí)顏色分辨率低，被檢測(cè)物質(zhì)在其中的擴(kuò)散距離大、變色速度慢。因此，大幅減少尺寸，提高顏色分辨率與對(duì)外界刺激的響應(yīng)速度是實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性凝膠基光子晶體傳感器應(yīng)用于微環(huán)境傳感與成像等領(lǐng)域亟待解決的問題和技術(shù)關(guān)鍵。

  針對(duì)這一挑戰(zhàn)，武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)江學(xué)者官建國教授團(tuán)隊(duì)在發(fā)明空間位阻型磁響應(yīng)光子晶體（Advanced Materials, 2014, 26: 1058, doi: 10.1002/adma.201304134）的基礎(chǔ)上，首次發(fā)展了磁場(chǎng)輔助的粒子組裝體模板氫鍵誘導(dǎo)聚合技術(shù)，制備了將單根磁響應(yīng)粒子鏈狀有序納米結(jié)構(gòu)固定在響應(yīng)性聚合物凝膠中的光子納米鏈。由于這種光子納米鏈直徑僅為數(shù)十納米，它對(duì)外界刺激的響應(yīng)速率和顏色分辨率分別超過40毫秒和微米量級(jí)。這比以前報(bào)道的凝膠基光子晶體傳感器均高出2-3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這個(gè)結(jié)果首次驗(yàn)證了將結(jié)構(gòu)色用于微環(huán)境傳感和成像的可行性，也將顯著促進(jìn)響應(yīng)性光子晶體在顯示和印刷領(lǐng)域中的應(yīng)用。

  圖1. 光子納米鏈的制備方法。利用磁場(chǎng)輔助粒子組裝體模板氫鍵誘導(dǎo)聚合法制備可分散的凝膠基光子納米鏈。它是由單尺寸的磁性膠體納米晶束粒子在響應(yīng)性聚合物殼層中等粒子間距排列而成的、類似豆莢狀的單鏈一維結(jié)構(gòu)。磁場(chǎng)輔助粒子組裝體模板氫鍵誘導(dǎo)聚合法的關(guān)鍵在于：聚合反應(yīng)發(fā)生前，單體與磁性粒子表面的聚乙烯吡咯烷酮通過氫鍵作用在粒子周圍富集，形成單體的高濃度區(qū)域。它們?cè)谕獯艌?chǎng)作用下組裝成周圍富集了高濃度單體的一維磁性光子晶體有序結(jié)構(gòu)，并在紫外光引發(fā)下發(fā)生快速聚合轉(zhuǎn)化為凝膠鎖定一維磁性光子晶體有序結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，其它區(qū)域中的預(yù)聚液由于單體濃度較低聚合速度較慢，依然保持液態(tài)。從而獲得可單根分散的凝膠基光子納米鏈，而不形成一維磁性光子晶體大塊凝膠。

  圖2. pH響應(yīng)型光子納米鏈的顯色以及變色機(jī)理。當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，光子鏈凝膠殼層的體積發(fā)生變化導(dǎo)致鏈的長(zhǎng)度隨之改變，鏈中粒子間的距離d也相應(yīng)的變化，從而衍射出不同的結(jié)構(gòu)色。值得注意的是光子鏈的顏色并不受到磁場(chǎng)大小變化的影響，從而確保了此種材料作為傳感器的準(zhǔn)確性。

  圖3. pH響應(yīng)型光子納米鏈的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性。通過設(shè)計(jì)如圖a中所示的Y型微流體管道，并以3 μl/min的速率分別在a，b入口引入含有光子鏈的pH = 7.0的水溶液和pH = 1的酸性溶液。由comsol軟件模擬可知，圖b中的白色方框中的液體流速接近2.5 mm/s。圖d中表明，光子鏈在100 μm的距離上完成了顏色從紅到藍(lán)的轉(zhuǎn)變，從而可以計(jì)算出光子鏈的響應(yīng)時(shí)間大概為40 ms [=距離(100 μm) /速度(2.5 mm/s)]. 這個(gè)結(jié)果比傳統(tǒng)凝膠型光子晶體的響應(yīng)時(shí)間高了2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。

  圖4. pH響應(yīng)性光子納米鏈在微環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高分辨實(shí)時(shí)可視化檢測(cè)。通過在中性的含有光子鏈的緩沖溶液中滴入一滴酸性液滴，可以實(shí)時(shí)可視化地觀測(cè)到氫離子在微環(huán)境中的擴(kuò)散過程。

  圖5. 光子納米鏈組成的調(diào)控。采用這種磁場(chǎng)輔助粒子組裝體模板氫鍵誘導(dǎo)聚合法，通過更換不同的響應(yīng)性凝膠單體，也可以制備出溫度和溶劑等刺激響應(yīng)性光子納米鏈。另外，還可以通過對(duì)聚合過程中交聯(lián)度含量的調(diào)節(jié)，得到剛度連續(xù)可調(diào)的納米鏈，從而有望應(yīng)用于高分子鏈的模擬以及磁控鞭毛運(yùn)動(dòng)微納米機(jī)器人等領(lǐng)域。

  以上成果發(fā)表在美國化學(xué)會(huì)期刊Nano Letters（Nano letters, 2018, doi: 10.1021/acs.nanolett.7b04218）期刊上。論文的第一作者為羅巍博士，第二作者為本科生崔乾，通訊作者為官建國教授和馬會(huì)茹副教授。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b04218 

官建國教授簡(jiǎn)介

  官建國，博士、教育部長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授、武漢理工大學(xué)材料學(xué)科首席教授、材料科學(xué)與工程國際化示范學(xué)院教學(xué)院長(zhǎng)、博士生導(dǎo)師，國家級(jí)“新世紀(jì)百千萬人才工程”人選、湖北省高端人才引領(lǐng)培養(yǎng)計(jì)劃首批人選，享受國務(wù)院政府特殊津貼，兼任中國微米納米技術(shù)協(xié)會(huì)理事以及微納執(zhí)行器與微系統(tǒng)分會(huì)副理事長(zhǎng)、總裝某專家組成員等。是SCI國際期刊《Micromachines》和核心期刊《Journal of Wuhan University of Technology-Material Science Edition》、《功能材料》和《航空制造技術(shù)》等期刊的編委，也是國家科技獎(jiǎng)勵(lì)、“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才和“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”評(píng)審專家、科技部863計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目評(píng)審專家等，以及Adv Mater, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Nano Lett, ACS Nano和Energy Environ Sci等50余種國際著名學(xué)術(shù)期刊的特約審稿人。

  他自1997年創(chuàng)建納米復(fù)合技術(shù)與功能復(fù)合材料研究團(tuán)隊(duì)以來，致力于開展電磁功能復(fù)合材料、微納米馬達(dá)和響應(yīng)性光子晶體研究。先后負(fù)責(zé)或領(lǐng)導(dǎo)研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了包括10項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、4項(xiàng)國家863項(xiàng)目、6項(xiàng)重點(diǎn)型號(hào)材料配套項(xiàng)目、3項(xiàng)總裝預(yù)研計(jì)劃和1項(xiàng)國防科工委專項(xiàng)計(jì)劃生產(chǎn)能力建設(shè)項(xiàng)目等在內(nèi)的國家和省部級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目80余項(xiàng)。多項(xiàng)研究成果分別通過了教育部、中航工業(yè)、船總和航天科工集團(tuán)的項(xiàng)目成果鑒定和產(chǎn)品鑒定，認(rèn)定“綜合技術(shù)水平居國內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到了國際先進(jìn)水平”，并被納入國軍標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了在多個(gè)國家重要軍工型號(hào)裝備上的規(guī)�；こ虘�(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。在Chem Soc Rev、Adv Mater、Angew Chem Int Ed、Nano Lett、Adv Funct Mater、ACS Nano、Biotechnol Adv等SCI期刊上發(fā)表論文210余篇（其中2013-17年55篇），SCI引用近4000篇次，H因子為35，已獲授權(quán)國家(或國防)發(fā)明專利31項(xiàng)（2013-17年12項(xiàng)）；作為會(huì)議主席，他成功舉辦了1st International Conference on Micro-/Nanomachines（Science期刊免費(fèi)整版刊發(fā)了會(huì)議報(bào)道）等國際和全國學(xué)術(shù)會(huì)議，并受邀在國際或全國學(xué)術(shù)會(huì)議上作大會(huì)報(bào)告、特邀報(bào)告、專題報(bào)告或分會(huì)主席20余次。已獲湖北省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)和湖北省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)等省部級(jí)科技和教學(xué)成果獎(jiǎng)勵(lì)9項(xiàng)，以及“高技術(shù)武器裝備發(fā)展建設(shè)工程有功個(gè)人”等榮譽(yù)稱號(hào)。

  他指導(dǎo)培養(yǎng)博士、碩士研究生和博士后140余人，其中近20人已成長(zhǎng)為二級(jí)教授、國家優(yōu)青、上市公司或國有企業(yè)技術(shù)總監(jiān)或副總經(jīng)理，或自己成功創(chuàng)辦企業(yè)成為總裁。