一种光子晶体微球、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种光子晶体微球、其制备方法及应用。所述光子晶体微球，包括光子晶体内核和聚合物外壳；内核为聚苯乙烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子悬浮液，纳米粒子的平均粒径在110nm至190nm之间；外壳为疏水性光引发树脂，厚度在30μm至50μm之间。其制备方法包括以下步骤：(1)将苯乙烯、N-异丙基丙烯酰胺、十二烷基磺酸钠和引发剂均匀混合，发生乳液聚合反应制得悬浮液；(2)采用微流控技术，以悬浮液为内相，以树脂单体及引发剂体系为中间相，在连续相水溶液的剪切力作用下形成单分散的核壳结构乳液液滴；(3)紫外光照射使树脂单体聚合固化。应用于生物分子检测和编码，稳定性好，颜色鲜艳，辨识度高。

【技术实现步骤摘要】
一种光子晶体微球、其制备方法及应用
本专利技术属于光子晶体领域，更具体地，涉及一种光子晶体微球、其制备方法及应用。
技术介绍
光子晶体是由具有不同折射率的材料在空间交替构成的一种周期性结构，其最根本的特征是具有光子禁带，即落在禁带中的光是被禁止传播的。由于其独特的光学性质，光子晶体被广泛应用于多种光学器件如调制器、传感器、显示器等的制备；此外在临床诊断、基因分析、药物筛选和多元分析等领域也发挥着重要的作用。多元检测分析是对数量巨大的不同待检测分子同时进行分析。因此就需要将与不同待检测分子相对应的探针分子进行编码，从而实现对待检测分子的分析和跟踪。目前主要有两种编码载体：固定编码载体和流动编码载体。相比而言，流动编码载体具有更大的优势，例如操作简单、检测速度快、可操控性强、重复性好等优点，其中基于光学检测的流动编码载体被广为采用。目前，基于光学检测的流动编码载体主要包括基于荧光检测的流动编码载体(如荧光和量子点标记的微球等)和基于反射光谱检测的流动编码载体(如光子晶体微球等)。相对而言，光子晶体编码微球具有更多的优点，如编码稳定性好、不会发生光淬灭、没有信号干扰、没有生物毒性等。目前，大部分光子晶体编码微球的制备多采用乳滴-溶剂挥发诱导自组装法，其获得的光子晶体微球为单一的结构。例如，ZhongzeGu等人2008年在Small杂志上报道的工作是利用单乳液微流控技术制备了光子晶体微球。具体方法是通过微流控技术将二氧化硅(SiO2)纳米粒子的水相悬浮液制成乳液液滴并分散在硅油中，经过长时间的水分挥发可使纳米粒子自组装成光子晶体微球；再通过后处理(如溶剂处理、煅烧等，接枝功能性分子等)，得到具有编码能力的光子晶体微球。尽管这种方法获得的光子晶体微球具有很好的编码能力，但是该方法也存在一定的弊端，其自组装较为困难，导致制备周期长、操作过程繁琐、获得的微球稳定性能较差、微球表面可反应性基团单一等。解决上述难题的途径之一是可以采用双乳液微流控技术将胶体晶体悬浮液包覆在聚合物壳层内部，从而获得核壳结构的单分散光子晶体微球。然而，目前具有核壳结构的光子晶体微球都无法应用于编码以及多元分析领域，一方面外部刺激(如温度、pH和离子强度等)会影响内核中的胶体晶体的晶格结构从而致使其不能获得稳定的编码信号；另一方面具有核壳结构的光子晶体微球颜色不够鲜艳，导致分辨率不高。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种光子晶体微球、其制备方法及应用，其目的在于通过控制核壳结构中光子晶体内核的成分及微观结构，提供一种稳定、颜色鲜艳且辨识度高的光子晶体微球，由此解决现有的光子晶体微球稳定性差，颜色不鲜艳，用于编码信号分辨率不高的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种光子晶体微球，包括光子晶体内核和光聚合物外壳；所述光子晶体内核直径在270μm至300μm之间，为聚苯乙烯-聚异丙基丙烯酰胺共聚物纳米粒子悬浮液，所述聚苯乙烯-聚异丙基丙烯酰胺共聚物纳米粒子的平均粒径在110nm至190nm之间；所述光聚合物外壳为疏水性光引发树脂，厚度在30μm至50μm之间。优选地，所述光子晶体微球，其所述疏水性树脂为含有质量比例为1％～5％丙烯酸酯的乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。优选地，所述光子晶体微球，其所述聚苯乙烯-聚异丙基丙烯酰胺共聚物纳米粒子的平均粒径在110nm至130nm、130nm至150nm或170至190nm之间。按照本专利技术的另一方面，提供了一种所述的光子晶体微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备光子晶体内核材料：将苯乙烯、N-异丙基丙烯酰胺、十二烷基磺酸钠和引发剂均匀混合，60℃至80℃下，发生乳液聚合反应5小时至10小时，制得所述聚苯乙烯-聚异丙基丙烯酰胺共聚物纳米粒子悬浮液；(2)制备光子晶体微球前体：采用微流控技术，以步骤(1)中制得的聚苯乙烯-聚异丙基丙烯酰胺共聚物纳米粒子悬浮液为内相，以树脂单体及引发剂体系为中间相，在连续相水溶液的剪切力作用下形成单分散的核壳结构乳液液滴；(3)制备光子晶体微球：将步骤(2)中得到的核壳结构乳液液滴，通过紫外光照射使所述树脂单体聚合，固化成树脂，即制得所述光子晶体微球，所述紫外光波长为300nm至400nm。优选地，所述制备方法，其步骤(1)中所述苯乙烯、N-异丙基丙烯酰胺、十二烷基磺酸钠和引发剂的质量比例为10～20:0.1～1:1.6～2.6:0.01～0.09。优选地，所述制备方法，其步骤(1)所述的光引发剂为过硫酸钾。优选地，所述制备方法，其步骤(2)所述的连续相流速为1000μL/h至3000μL/h，中间相流速为500μL/h至1000μL/h，内相流速为400μL/h至800μL/h。优选地，所述制备方法，其步骤(2)所述的微流控技术采用的内相毛细管内径在20μm至200μm之间，收集毛细管内径在150μm至550μm之间。按照本专利技术的另一个方面，提供了所述光子晶体微球的应用于生物分子检测。优选地，所述所述光子晶体微球的应用于生物分子检测，具体包括如下步骤：A、光子晶体微球表面改性：将所述不同颜色的光子微球表面的丙烯酸酯水解为丙烯酸，获得表面改性的光子晶体微球；B、光子晶体微球表面接枝：将步骤A中获得的表面改性的光子晶体微球与生物探针分子共价结合，使得生物探针分子与所述光子晶体微球的颜色一一对应，获得表面具有生物探针分子的光子晶体微球；C、生物分子检测：将荧光标记的待测生物样品与步骤B中获得的表面具有生物探针分子的光子晶体微球充分接触后，清洗所述光子晶体微球，检测所述光子晶体微球上的荧光信号，对于带有荧光信号的光子晶体微球根据其颜色确定生物分子探针及其靶标生物分子的种类。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术提供的光子晶体微球，其内核为光子晶体悬浮液，其中的聚苯乙烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子表面呈刷状结构，容易自组装形成有序结构，发色鲜艳；不需要透析和离子交换，大大缩短了光子晶体悬浮液的制备周期；同时，其聚合物外壳厚度薄透光性高，使得所述微球具有良好的光学性能；(2)本专利技术提供的光子晶体微球，适应性强，能稳定存在于各种盐溶液。溶液pH值对于晶体微球性能几乎没有影响。(3)跟传统二氧化硅编码微球相比，本专利技术提供的光子晶体为单分散光子晶体微球壳层引入了功能基团，编码步骤少，从而有利于减少编码所需时间。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得制备周期短，颜色鲜艳，编码步骤少等有益效果。附图说明图1是核壳结构单分散光子晶体编码微球的微流控制备示例图；图2核壳结构单光子晶体编码微球的反射模式光学显微镜照片，其中图2A为红色光子晶体微球，图2B为绿色光子晶体微球，图2C为蓝色光子晶体微球；图3是实施例10多元检测后光子晶体微球的反射光谱和的荧光光谱图，其中图3A是红色光子晶体微球、图3B是绿色绿色光子晶体微球和图3C是蓝色光子晶体微球；图4是实施例10多元检测后光子晶体微球的反射模式光学显微镜照片，其中图4A是红色光子晶体微球、图4B是绿色光子晶体微球和图4C是蓝色光子晶体微球；图5是实施例10多元检测后光子晶体微球的荧光照片，其中图5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子晶体微球，其特征在于，包括光子晶体内核和聚合物外壳；所述光子晶体内核直径在270μm至300μm之间，为聚苯乙烯‑聚(N‑异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子悬浮液，所述聚苯乙烯‑聚(N‑异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子的平均粒径在110nm至190nm之间；所述聚合物外壳为疏水性光引发树脂，厚度在30μm至50μm之间。

【技术特征摘要】
1.一种光子晶体微球，其特征在于，包括光子晶体内核和聚合物外壳；所述光子晶体内核直径在270μm至300μm之间，为聚苯乙烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子悬浮液，所述聚苯乙烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子的平均粒径在110nm至190nm之间；所述聚合物外壳为疏水性光引发树脂，厚度在30μm至50μm之间。2.如权利要求1所述的光子晶体微球，其特征在于，所述疏水性光引发树脂为含有质量比例为1％～5％丙烯酸丁酯的乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。3.如权利要求1或2所述的光子晶体微球，其特征在于，所述聚苯乙烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子的平均粒径在110nm至130nm、130nm至150nm或170至190nm之间。4.如权利要求1至3任意一项所述的光子晶体微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备光子晶体内核材料：将苯乙烯、N-异丙基丙烯酰胺和引发剂均匀混合，60℃至80℃下，发生乳液聚合反应5小时至10小时，制得所述聚苯乙烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子悬浮液；(2)制备光子晶体微球前体：采用微流控技术，以步骤(1)中制得的聚苯乙烯-聚(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物纳米粒子悬浮液为内相，以树脂单体及引发剂体系为中间相，在连续相水溶液的剪切力作用下形成单分散的核壳结构乳液液滴；(3)制备光子晶体微球：将步骤(2)中得到的核壳结构乳液液滴，通过紫外光照射使所述树脂单体聚合，固化成树脂，即制得所述光子晶体微球，所述紫外光波长为300nm至4...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱锦涛，贾晓潞，王建颖，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42