水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法

摘要

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法，先在丙酮中通过调节加入不同量的过氧化氢，合成不同粒径的Fe3O4@C核壳结构；然后通过在四乙基硅酸作用，再包裹一层二氧化硅外壳，形成Fe3O4@C@SiO2的核壳结构的光子晶体。本发明提供的水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法，便捷、快速、经济，条件易控制，对磁场响应迅速，几乎瞬间可以发生颜色变化。制备的是水溶性的光子晶体，可溶于水，拓宽光子晶体的应用领域，在生物医学领域将会发挥更大的优势。

权利要求

1.水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)二茂铁加入到丙酮中，超声溶解，再加入适量质量分数为30％的过氧化氢，然后

500rpm磁力搅拌30分钟；

(2)然后将混合液转移到密闭高压反应釜中加热到210℃，并保温72小时，冷却至室温，得到碳包裹的超顺磁性胶体纳米颗粒四氧化三铁纳米颗粒Fe3O4@C；

(3)Fe3O4@C在乙醇和水的混合溶液中分散，在25℃条件下，保持500rpm转速磁力搅拌；

逐滴滴加质量分数为25％的氨水溶液，超声处理10分钟；

(4)然后在混合溶液中加入四乙基硅酸，在25℃条件下，保持搅拌转速搅拌12小时；然后离心机于6000～10000rpm下处理10分钟，沉淀收集，沉淀物用水洗涤3次，得到Fe3O4@C@SiO2核壳结构光子晶体。

2.根据权利要求1所述的水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法，其特征在于，各原料的用量按照以下配比：0.30g二茂铁溶于30毫升丙酮中，过氧化氢用量为1毫升～2毫升；

0.1g Fe3O4@C在50毫升乙醇和10毫升水的混合溶液中分散；氨水溶液用量为0.6～1.5毫升。

说明书

水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

[0002] 光子晶体是近年来快速发展的一项操纵和调控光传播方向的新兴材料。从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的天然或人工设计和制造的晶体，其特性是不同介电常数的介质材料在空间呈现周期性变化，产生光子带隙，某一频率范围的光不能在光子晶体中传播；如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，在光子晶体的禁带中就可能出现光子局域，与缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，一旦偏离缺陷处，光就迅速衰减。通过对光波的调制，折射系数比值或者构成光子晶体的粒子发生变化，由此在可见光范围内产生新的光学特性，甚至是肉眼可辨别的变化。目前制备该类材料的方法主要通过自组装来实现，常用的有：垂直或离心自组装、静电及毛细作用自组装及微流控合成等，但是这些技术普遍制备效率低，通常需要数小时甚至几天来完成，难以满足实际应用的需求。对于精确厚度、取向和晶粒尺寸可控的光子晶体，传统的自组装方法难以胜任，增大了其后续处理的难度。此外，传统合成的光子晶体多在有机相中发生颜色变化，不能溶于水相，这大大限值了光子晶体的应用范围。

发明内容

[0003] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法。

[0004] 本发明的技术方案如下：

[0005] 水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法，包括以下步骤：

[0006] (1)二茂铁加入到丙酮中，超声溶解，再加入适量的过氧化氢，然后500rpm磁力搅拌 30分钟；

[0007] (2)然后将混合液转移到密闭高压反应釜中加热到210℃，并保温72小时，冷却至室温，得到碳包裹的超顺磁性胶体纳米颗粒四氧化三铁纳米颗粒Fe3O4@C；

[0008] (3)Fe3O4@C在乙醇和水的混合溶液中分散，在25℃条件下，保持500rpm转速磁力搅拌；逐滴滴加质量分数为25％的氨水溶液，超声处理10分钟；

[0009] (4)然后在混合溶液中加入四乙基硅酸，在25℃条件下，保持搅拌转速搅拌12小时；然后8000rpm离心机处理10分钟，沉淀收集，沉淀物用水洗涤3次，得到Fe3O4@C@SiO2核壳结构光子晶体。

[0010] 进一步的，以上各原料的用量按照以下配比：0.30g二茂铁溶于30毫升丙酮中，过氧化氢用量为1毫升～2毫升；0.1g Fe3O4@C在50毫升乙醇和10毫升水的混合溶液中分散；氨水溶液用量为0.6～1.5毫升。

[0011] 本发明所制备高质量、高稳定性、可溶于水的光子晶体，通过外加磁场调控，可以和生物材料，如：抗体、核酸适配体、生物酶等结合，再联用生物传感技术，可以极大地提高化学污染物检测的灵敏度。

[0012] 本发明的技术优点：

[0013] 本发明提供的水溶性稳定磁诱导光子晶体的制备方法，便捷、快速、经济，条件易控制，对磁场响应迅速，几乎瞬间可以发生颜色变化。制备的是水溶性的光子晶体，可溶于水，拓宽光子晶体的应用领域，在生物医学领域将会发挥更大的优势。

附图说明

[0014] 图1a是在磁场外Fe3O4@C纳米粒子以自由状态存在照片；

[0015] 图1b是在磁场的诱导下Fe3O4@C纳米粒子组装成排列整齐的结构色照片；

[0016] 图2a为平均粒径200nm的水溶性稳定磁诱导光子晶体Fe3O4@C@SiO2的TEM图像；

[0017] 图2b为平均粒径140nm的水溶性稳定磁诱导光子晶体Fe3O4@C@SiO2的TEM图像；

[0018] 图2c为平均粒径125nm的水溶性稳定磁诱导光子晶体Fe3O4@C@SiO2的TEM图像；

[0019] 图2d为平均粒径200nm的水溶性稳定磁诱导光子晶体Fe3O4@C@SiO2的不同粒径的大小分布图；

[0020] 图2e为平均粒径140nm的水溶性稳定磁诱导光子晶体Fe3O4@C@SiO2的不同粒径的大小分布图；

[0021] 图2f为平均粒径125nm的水溶性稳定磁诱导光子晶体Fe3O4@C@SiO2的不同粒径的大小分布图；

[0022] 图3a为制备的水溶性稳定磁诱导光子晶体在饼形永磁铁条件下在表面皿内的颜色变化；

[0023] 图3b为制备的水溶性稳定磁诱导光子晶体在饼形永磁铁条件下在圆柱小瓶内的颜色变化。

具体实施方式

[0024] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

[0025] 1、精确称量二茂铁0.30g溶于30毫升丙酮中，超声30分钟使其完全溶解，再加入过氧化氢，有三组样品，三组样品的过氧化氢的用量分别为1毫升、1.5毫升和2毫升。然后500rpm磁力搅拌30分钟。

[0026] 将混合液转移到聚四氟乙烯高压反应釜中保持210℃，反应72小时后冷却反应釜至室温，得到碳包裹的超顺磁性胶体纳米颗粒四氧化三铁纳米颗粒Fe3O4@C，三组样品过氧化氢用量不同，依次得到的产物平均粒径为200nm、140nm、125nm。

[0027] 该方法合成的光子晶体可以长期稳定地在水相中维持悬浮状态至少3个月；合成的水溶性稳定磁诱导光子晶体粒径在100-300nm。

[0028] 直接将冷却液施加外磁场。施加外磁场的大小在1000-3000Gs。磁场诱导时间1-10s即可使制备的Fe3O4@C@SiO2发生颜色变化。

[0029] 制备的水溶性磁诱导光子晶体的颜色可随着磁场强度和距离的产生可见的鲜艳颜色变化，如：可由红色变为蓝色。

[0030] 外磁场可瞬时组装磁性或非磁性纳米材料，能将能量无接触地进行传递，使一些分子、原子、胶体以及微纳米颗粒发生取向、迁移、排列等一系列变化，在微纳尺度下自行聚集形成规则有序的光子晶体结构。同时，获得的磁响应光子晶体呈现肉眼可见的颜色，实现了色彩的任意定制。所得到的磁响应光子晶体作为一种新兴的智能材料在在防伪、物理和生物传感器、化学污染物检测和监控等方面具有巨大的科学和应用价值。

[0031] 施加外磁场后发现图1现象，图1a是在磁场外粒子以自由状态存在，呈棕褐色；图1b在外磁场的诱导下Fe3O4@C粒子组装成排列整齐，呈光子晶体特有的结构色。颜色与Fe3O4@C 和溶剂的折射率的比值和Fe3O4@C粒径有关。

[0032] 2、0.1g Fe3O4@C在50毫升乙醇和10毫升水的混合溶液中分散在三颈烧瓶中，在25℃条件下，滴加0.6毫升的氨水溶液，超声处理，并500rpm搅拌10分钟。然后在混合溶液中加入0.6毫升的四乙基硅酸，在25℃条件下，保持500rpm搅拌12小时；再用离心机于8000 rpm处理10分钟，沉淀物收集，用水洗涤3次，将收集的固体分散在5毫升水中。制备后的 Fe3O4@C@SiO2核壳结构光子晶体可由通过施加外磁场从而产生不同的颜色改变。

[0033] 如图2a至图2f所示，为制备的水溶性稳定磁诱导光子晶体Fe3O4@C@SiO2的TEM图像 (a-c)及不同粒径的大小分布:(d)158nm(e)175nm(f)230nm。

[0034] 如图3a和图3b所示，为制备的水溶性稳定磁诱导光子晶体在饼形永磁铁下所显示出的“彩虹样”颜色变化。(a)在表面皿内光子晶体的颜色变化；(b)在圆柱小瓶内光子晶体的颜色变化。