CN109971005B - 一种光子晶体水凝胶薄膜及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺‑甲叉双丙烯酰胺‑N,N’‑双(丙烯酰)胱胺水凝胶，还提供了制备方法，将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’‑双(丙烯酰)胱胺和光引发剂均匀分散于有机溶剂，加载磁场，照射紫外光后得到光子晶体水凝胶薄膜，能应用于裸眼检测或生物分子传感器中。本发明通过加载磁场使Fe3O4纳米粒子呈一维链状排列，再紫外光照射聚合成，薄膜单色、纯净、具有还原型谷胱甘肽响应能力，对还原型谷胱甘肽特异性好，灵敏度高，能应用于裸眼检测，能解决还原型谷胱甘肽检测昂贵且操作繁琐的问题，为水溶液中还原型谷胱甘肽的检测提供了新途径。

Description

一种光子晶体水凝胶薄膜及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于光子晶体技术领域，具体涉及一种光子晶体水凝胶薄膜及其制备方法与应用。
背景技术
随着全世界疾病患者人数的不断增多以及晚期疾病导致的死亡人数的不断增加，早期疾病的高灵敏度检测受到人们越来越多的关注。人体中的生物分子在人体的生命活动中起着重要的作用，在疾病的早期诊断中具有重要意义。还原型谷胱甘肽是一种细胞内普遍存在的硫醇类多肽，在维持体内氧化还原平衡状态、消除体内自由基和细胞增殖等功能方面起着必不可少的作用。由于还原型谷胱甘肽具有抗氧化的作用，因此还原型谷胱甘肽的检测在一些疾病的病理学研究方面有重要应用，如癌症、老年痴呆症和糖尿病。
光子晶体是一种不同折射系数的介质周期性分布的光学材料。光在光子晶体材料中传播时，折射率会发生周期性的分布，从而使能带之间出现与半导体对电子的调制类似的“光子带隙”。光子晶体的主要特点是光子带隙，当带隙落在可见光范围内时，光波会在光子晶体中发生多次反射和折射，反射光和折射光相互叠加并形成布拉格衍射，宏观上则表现出鲜艳的结构色。当特定波长的光子落在光子带隙时不能进行传播。
响应性光子晶体是指光子带隙能随外界刺激而变化的光子晶体，宏观上通过裸眼观察光子晶体结构色彩变化来判断外界刺激的强弱。光子晶体材料发生响应的原理是在物理或化学信号的刺激下，光子晶体的周期结构或者介电常数发生变化，进而引起光子带隙的改变。基于刺激响应性聚合物材料在外界条件，如压力、温度、电场、溶剂、pH、生物分子等发生变化时会产生明显的体积膨胀或收缩的性质，宏观上能够观察到光子晶体薄膜颜色的变化。
在过去的几十年间，对生物分子进行定量分析检测方法已经取得了巨大的进展。目前定量检测生物分子的主要方法有：高效液相色谱法、荧光法、电化学发光法、电化学、表面等离子体共振、表面增强拉曼散射、酶联免疫吸附法等。以上常用方法可以有效地完成了对还原型谷胱甘肽的定量检测，但是大多数的方法不可避免地需要复杂的仪器设备、专业的技术人员或复杂的实验操作等问题，限制了这些方法的广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种光子晶体水凝胶薄膜及其制备方法与应用，该光子晶体水凝胶薄膜制备方法通过加载磁场使Fe3O4纳米粒子呈一维链状排列，再紫外光照射使丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺聚合成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，使Fe3O4纳米粒子的有序结构固定，制备的光子晶体水凝胶薄膜单色、纯净、具有还原型谷胱甘肽响应能力，本发明的光子晶体水凝胶薄膜对还原型谷胱甘肽特异性好，灵敏度高，能应用于裸眼检测，与现有技术相比能解决还原型谷胱甘肽检测昂贵且操作繁琐的问题，为水溶液中还原型谷胱甘肽的检测提供了新途径。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为80nm～180nm；所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为1％～10％。
优选地，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为5％～10％。
本发明还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂均匀分散于有机溶剂中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为1mg/mL～50mg/mL，丙烯酰胺的浓度为100mg/mL～600mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为10mg/mL～500mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为10mg/mL～500mg/mL和光引发剂的浓度为0.1mg/mL～1mg/mL；
所述Fe3O4纳米粒子的制备方法为：将二茂铁、双氧水溶解在丙酮中，得到铁溶液，将铁溶液在温度为100℃～500℃的条件下反应10h～80h后，自然冷却至室温，分离、用丙酮清洗3次后得到Fe3O4纳米粒子；所述铁溶液中二茂铁浓度为0.001mg/mL～0.05mg/mL，所述铁溶液中双氧水浓度为0.01mg/mL～0.1mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液铺设成厚度为150μm～300μm的薄膜，加载强度为300高斯～2000高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射紫外光5min～30min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
所述甲叉双丙烯酰胺为交联剂，在紫外光照射下，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗1次～3次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
优选地，步骤一和步骤三中所述有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇、甘油和丙酮中一种或一种以上。
优选地，步骤一中所述有机溶剂为乙二醇或甘油。
优选地，步骤一中所述光引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮。
本发明还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的应用，应用于裸眼检测或生物分子传感器。
优选地，所述裸眼检测或生物分子传感器对还原型谷胱甘肽具有响应。
优选地，所述光子晶体水凝胶薄膜在水溶液中还原型谷胱甘肽响应光谱范围为554nm～658nm，还原型谷胱甘肽的可检测浓度的浓度范围为10-6mol/L～10-2mol/L。
优选地，所述光子晶体水凝胶薄膜对还原型谷胱甘肽具有特异性，糖类、蛋白质、氨基酸、尿素等不会对光子晶体水凝胶薄膜的颜色产生影响。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的光子晶体水凝胶的制备方法，针对纳米粒子的有序结构在外界条件下易被破坏的难题，通过将一定浓度的Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺以及光引发剂均匀混合使其形成光子晶体水凝胶前体悬浊液，先通过加载磁场使Fe3O4纳米粒子呈一维链状排列，再通过紫外光照射使丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺三个单体聚合成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，从而使得Fe3O4纳米粒子的有序结构固定，得到光子晶体水凝胶薄膜；本发明提供的光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，在外加磁场的影响下，Fe3O4纳米粒子迅速形成一维链状排列，使得制备时间短，整个过程仅需15分钟左右，而且操作简单，可重复强，便于大规模制备，Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶固定形成有序结构，由此解决现有的还原型谷胱甘肽检测方法的制备周期长、制备步骤繁琐等问题。
2、本发明制备光子晶体水凝胶薄膜的原料N,N’-双(丙烯酰)胱胺中含有二硫键，在光子晶体水凝胶薄膜使用使还原型谷胱甘肽可以把二硫键打开，使得光子晶体水凝胶薄膜的交联度降低，导致使光子晶体水凝胶薄膜的体积膨胀和颜色发生变化，随水溶液中还原型谷胱甘肽浓度的升高光子晶体水凝胶薄膜的颜色逐渐从绿色转变为其他颜色；光子晶体水凝胶薄膜中Fe3O4纳米粒子呈一维链状的有序排列，呈现出单色，颜色纯净，不含杂质色，Fe3O4纳米粒子使得光子晶体水凝胶薄膜具有二硫键交联的还原型谷胱甘肽响应，具有很好的灵敏度，可以对浓度为10-6mol/L～10-2mol/L的还原型谷胱甘肽进行检测，可以应用于生物分子传感器中。此外，该光子晶体水凝胶薄膜对还原型谷胱甘肽具有很好的特异性，糖类、蛋白质、氨基酸、尿素等不会对光子晶体水凝胶薄膜的颜色产生影响；本发明的光子晶体水凝胶薄膜在不同浓度的还原型谷胱甘肽刺激下，呈现出裸眼可见的不同颜色变化，与现有技术相比能够有效解决还原型谷胱甘肽检测昂贵且操作繁琐的问题，为水溶液中还原型谷胱甘肽的检测提供了新途径。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1的光子晶体水凝胶薄膜在不同浓度的还原型谷胱甘肽水溶液中的反射光谱图。
图2是本发明实施例1的光子晶体水凝胶薄膜在浓度均为10-3mol/L牛血清白蛋白水溶液、甘氨酸水溶液、赖氨酸水溶液、谷氨酸水溶液、尿素水溶液、葡萄糖水溶液、葡萄糖、牛血清白蛋白和尿素混合的水溶液中的反射光谱图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为120μm，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为5％。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮，采用超声分散法，均匀分散于有机溶剂乙二醇中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为5mg/mL，丙烯酰胺的浓度为200mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为10mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为10mg/mL和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮的浓度为1mg/mL；
所述Fe3O4纳米粒子的制备方法为：将二茂铁、双氧水溶解在丙酮中，得到铁溶液，将铁溶液在温度为190℃的条件下反应70h后，自然冷却至室温，分离、用丙酮清洗3次后得到Fe3O4纳米粒子；所述铁溶液中二茂铁浓度为0.001mg/mL，所述铁溶液中双氧水浓度为0.01mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液加载在两个玻璃板之间，铺设成厚度为150μm的薄膜，加载强度为300高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射波长为300nm的紫外光15min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗3次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的应用，应用于裸眼检测，该裸眼检测对还原型谷胱甘肽具有响应，光子晶体水凝胶薄膜的还原型谷胱甘肽响应光谱范围为554nm～658nm；本实施例的光子晶体水凝胶薄膜，呈现绿色，随着水溶液中还原型谷胱甘肽浓度的增加而最终变为红色，呈现出裸眼可见的颜色变化，便于裸眼检测。
图1为光子晶体水凝胶薄膜在不同浓度的还原型谷胱甘肽水溶液中的反射光谱图(图中M表示mol/L)，当水溶液中还原型谷胱甘肽浓度从10-6mol/L增加到10-2mol/L时，光子晶体水凝胶薄膜的晶格间距逐渐增加，薄膜的颜色从绿色向红色逐渐转变，相应的反射光谱峰从554nm移动到658nm。还原型谷胱甘肽的最低检测浓度为10-6mol/L，具有很好的灵敏度。
本实施例的光子晶体水凝胶薄膜具有单一的颜色，在不同还原型谷胱甘肽水溶液中，反射光波长位移大，呈现出裸眼可见的颜色变化，便于裸眼检测。
图2是本实施例的光子晶体水凝胶薄膜在浓度均为10-3mol/L牛血清白蛋白水溶液、甘氨酸水溶液、赖氨酸水溶液、谷氨酸水溶液、尿素水溶液、葡萄糖水溶液、葡萄糖、牛血清白蛋白和尿素混合的水溶液中的反射光谱图，由图2可知，葡萄糖、牛血清白蛋白、氨基酸和尿素不会对光子晶体水凝胶薄膜的颜色和反射光谱峰的位置产生影响。
由图1～2可知，本实施例的光子晶体水凝胶薄膜对还原型谷胱甘肽具有特异性，糖类、蛋白质、氨基酸、尿素等不会对光子晶体水凝胶薄膜的颜色产生影响。
实施例2
本实施例的光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为80μm，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为1％。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮，采用超声分散法，均匀分散于有机溶剂甘油中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为1mg/mL，丙烯酰胺的浓度为100mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为15mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为10mg/mL和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮的浓度为0.1mg/mL；
所述Fe3O4纳米粒子的制备方法为：将二茂铁、双氧水溶解在丙酮中，得到铁溶液，将铁溶液在温度为100℃的条件下反应10h后，自然冷却至室温，分离、用丙酮清洗3次后得到Fe3O4纳米粒子；所述铁溶液中二茂铁浓度为0.001mg/mL，所述铁溶液中双氧水浓度为0.01mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液加载在两个玻璃板之间，铺设成厚度为150μm的薄膜，加载强度为300高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射波长为300nm的紫外光5min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗1次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的应用，应用于生物分子传感器。当水溶液中还原型谷胱甘肽浓度从10-6mol/L增加到10-2mol/L时，光子晶体水凝胶薄膜的晶格间距逐渐增加，薄膜的颜色从绿色向黄色逐渐转变。还原型谷胱甘肽的最低检测浓度为10-6mol/L。
实施例3
本实施例的光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为180μm，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为10％。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮，采用超声分散法，均匀分散于有机溶剂甲醇中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为20mg/mL，丙烯酰胺的浓度为200mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为20mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为20mg/mL和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮的浓度为0.2mg/mL；
所述Fe3O4纳米粒子的制备方法为：将二茂铁、双氧水溶解在丙酮中，得到铁溶液，将铁溶液在温度为300℃的条件下反应30h后，自然冷却至室温，分离、用丙酮清洗3次后得到Fe3O4纳米粒子；所述铁溶液中二茂铁浓度为0.003mg/mL，所述铁溶液中双氧水浓度为0.02mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液加载在两个玻璃板之间，铺设成厚度为200μm的薄膜，加载强度为500高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射波长为300nm的紫外光30min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗3次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的应用，应用于生物分子传感器。当水溶液中还原型谷胱甘肽浓度从10-5mol/L增加到10-2mol/L时，光子晶体水凝胶薄膜的晶格间距逐渐增加，薄膜的颜色从绿色向黄色逐渐转变。还原型谷胱甘肽的最低检测浓度为10-5mol/L。
实施例4
本实施例的光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为150μm，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为7％。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮，采用超声分散法，均匀分散于有机溶剂聚乙二醇中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为30mg/mL，丙烯酰胺的浓度为400mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为15mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为30mg/mL和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮的浓度为0.5mg/mL；
所述Fe3O4纳米粒子的制备方法为：将二茂铁、双氧水溶解在丙酮中，得到铁溶液，将铁溶液在温度为100℃的条件下反应50h后，自然冷却至室温，分离、用丙酮清洗3次后得到Fe3O4纳米粒子；所述铁溶液中二茂铁浓度为0.003mg/mL，所述铁溶液中双氧水浓度为0.02mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液加载在两个玻璃板之间，铺设成厚度为200μm的薄膜，加载强度为300高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射波长为300nm的紫外光20min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗2次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的应用，应用于生物分子检测器。当水溶液中还原型谷胱甘肽浓度从10-5mol/L增加到10-2mol/L时，光子晶体水凝胶薄膜的晶格间距逐渐增加，薄膜的颜色从绿色向黄色逐渐转变。还原型谷胱甘肽的最低检测浓度为10-5mol/L。
实施例5
本实施例的光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为110μm，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为5％。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮，采用超声分散法，均匀分散于有机溶剂丙酮中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为10mg/mL，丙烯酰胺的浓度为200mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为20mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为40mg/mL和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮的浓度为0.4mg/mL；
所述Fe3O4纳米粒子的制备方法为：将二茂铁、双氧水溶解在丙酮中，得到铁溶液，将铁溶液在温度为300℃的条件下反应50h后，自然冷却至室温，分离、用丙酮清洗3次后得到Fe3O4纳米粒子；所述铁溶液中二茂铁浓度为0.002mg/mL，所述铁溶液中双氧水浓度为0.03mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液加载在两个玻璃板之间，铺设成厚度为200μm的薄膜，加载强度为800高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射波长为300nm的紫外光15min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗2次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
应用于生物分子检测器。当水溶液中还原型谷胱甘肽浓度从10-4mol/L增加到10- 2mol/L时，光子晶体水凝胶薄膜的晶格间距逐渐增加，薄膜的颜色从绿色向黄绿色逐渐转变。还原型谷胱甘肽的最低检测浓度为10-4mol/L。
实施例6
本实施例的光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为140μm，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为3％。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮，采用超声分散法，均匀分散于有机溶剂中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为10mg/mL，丙烯酰胺的浓度为200mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为250mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为40mg/mL和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮的浓度为0.4mg/mL；所述有机溶剂为质量比为1:1：1的聚乙二醇、甘油和丙酮的混合物；
所述Fe3O4纳米粒子的制备方法为：将二茂铁、双氧水溶解在丙酮中，得到铁溶液，将铁溶液在温度为300℃的条件下反应50h后，自然冷却至室温，分离、用丙酮清洗3次后得到Fe3O4纳米粒子；所述铁溶液中二茂铁浓度为0.002mg/mL，所述铁溶液中双氧水浓度为0.03mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液加载在两个玻璃板之间，铺设成厚度为200μm的薄膜，加载强度为800高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射波长为300nm的紫外光10min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗1次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的应用，应用于裸眼检测，该裸眼检测对还原型谷胱甘肽具有响应，当水溶液中还原型谷胱甘肽浓度从10-4mol/L增加到10- 2mol/L时，光子晶体水凝胶薄膜的晶格间距逐渐增加，薄膜的颜色从绿色向黄色逐渐转变。还原型谷胱甘肽的最低检测浓度为10-4mol/L。
实施例7
本实施例的光子晶体水凝胶薄膜，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为160μm，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为9％。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮，采用超声分散法，均匀分散于有机溶剂中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为50mg/mL，丙烯酰胺的浓度为600mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为500mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为500mg/mL和光引发剂2,2-二乙氧基苯乙酮的浓度为1mg/mL；所述有机溶剂为质量比为2：1的甲醇和乙醇的混合物；
所述Fe3O4纳米粒子的制备方法为：将二茂铁、双氧水溶解在丙酮中，得到铁溶液，将铁溶液在温度为500℃的条件下反应80h后，自然冷却至室温，分离、用丙酮清洗3次后得到Fe3O4纳米粒子；所述铁溶液中二茂铁浓度为0.05mg/mL，所述铁溶液中双氧水浓度为0.1mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液加载在两个玻璃板之间，铺设成厚度为300μm的薄膜，加载强度为2000高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射波长为300nm的紫外光25min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗2次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
本实施例还提供了上述的光子晶体水凝胶薄膜的应用，应用于裸眼检测，该裸眼检测对还原型谷胱甘肽具有响应，当水溶液中还原型谷胱甘肽浓度从10-3mol/L增加到10- 2mol/L时，光子晶体水凝胶薄膜的晶格间距逐渐增加，薄膜的颜色从深绿色向浅绿色逐渐转变。还原型谷胱甘肽的最低检测浓度为10-3mol/L。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光子晶体水凝胶薄膜，其特征在于，包括Fe3O4纳米粒子和聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，所述Fe3O4纳米粒子在聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶中呈一维链状排列，所述Fe3O4纳米粒子的平均粒径为80nm~180nm；所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为1%~10%。
2.根据权利要求1所述的一种光子晶体水凝胶薄膜，其特征在于，所述Fe3O4纳米粒子在光子晶体水凝胶薄膜中的质量分数为5%~10%。
3.一种制备如权利要求1或2所述的光子晶体水凝胶薄膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、光子晶体水凝胶前体悬浊液的制备：将Fe3O4纳米粒子、丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺、N,N’-双(丙烯酰)胱胺和光引发剂均匀分散于有机溶剂中，得到光子晶体水凝胶前体悬浊液；所述光子晶体水凝胶前体悬浊液中Fe3O4纳米粒子的浓度为1mg/mL~50mg/mL，丙烯酰胺的浓度为100mg/mL~600mg/mL，甲叉双丙烯酰胺的浓度为10mg/mL~500mg/mL，N,N’-双(丙烯酰)胱胺的浓度为10mg/mL~500mg/mL和光引发剂的浓度为0.1mg/mL~1mg/mL；
步骤二、固化光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤一中得到的光子晶体水凝胶前体悬浊液铺设成厚度为150μm~300μm的薄膜，加载强度为300高斯~2000高斯的磁场，得到显色薄膜，将显色薄膜照射紫外光5min~30min，丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺和N,N’-双(丙烯酰)胱胺在紫外光作用下聚合形成聚丙烯酰胺-甲叉双丙烯酰胺-N,N’-双(丙烯酰)胱胺水凝胶，得到固化光子晶体水凝胶薄膜；
步骤三、光子晶体水凝胶薄膜的制备：将步骤二中得到的固化光子晶体水凝胶薄膜浸泡在去离子水中清洗1次~3次，去除有机溶液，得到光子晶体水凝胶薄膜。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一和步骤三中所述有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇、甘油和丙酮中一种或一种以上。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述有机溶剂为乙二醇或甘油。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤一中所述光引发剂为2,2-二乙氧基苯乙酮。
7.一种如权利要求1或2所述的光子晶体水凝胶薄膜的应用，其特征在于，应用于裸眼检测或生物分子传感器；所述裸眼检测或生物分子传感器对还原型谷胱甘肽具有响应；所述光子晶体水凝胶薄膜在还原型谷胱甘肽水溶液中还原型谷胱甘肽响应光谱范围为554nm~658nm，还原型谷胱甘肽的可检测浓度的浓度范围为10-6mol/L~10-2mol/L；所述光子晶体水凝胶薄膜对还原型谷胱甘肽具有特异性。
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