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3刘烽都明君(北京理工大学化工环境学院北京100081)国家自然科学基金项目(20775007)和863计划项目(2007AA10Z433)资助2008206230收稿,2008209229接受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ApplicationofPhotonicCrystalsinChemicalandBio2sensorsDuanTingrui,LiHaihua,MengZihui3,LiuFeng,DuMingjun(SchoolofChemical&EnvironmentalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081)AbstractPhotoniccrystalsareperiodicalmaterialswhicharemadebyperiodicallyarrangementofmorethantwomaterialswithdifferentreflectiveindex.Photoniccrystalshaveperiodicalandrepeatedunitstructurewithnanometerscale,anditsopticalpropertiescanbetunedbyreasonablydesigningofthestructureunits.Photoniccrystalshavebeenappliednotonlyinclinicaldiagnosis,drugdelivery,opticalswitches,ionprobe,butalsoinbiosensorsandchemicalsensors.Herethepreparationmethodsandapplicationsinsensorsfieldofphotoniccrystalsaresummarized.KeywordsPhotoniccrystals,Hydrogel,Chemicalsensor,Biosensors,Molecularrecognition1光子晶体的概念及其结构特性光子晶体(photoniccrystals)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(photonicband)。光子能带之间可能会出现带隙,即光子带隙(photonicbandgap,简称PBG)。具有PBG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。·892·化学通报2009年第4期http:ΠΠwww.hxtb.org图1光子晶体的周期性结构Fig.1PeriodicallystructureofPhotonicCrystals2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]。211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。212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(Layer2by2Layer,LBL)方法被广泛地应用于光子晶体...
