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  微環境的傳感與成像可以揭示微小區域內的物理化學狀態，對于微反應器，微流體系統，觀測細胞以及生物組織中的擴散，傳輸，動態化學反應以及分子間的相互作用有著不可或缺的意義。目前，用于微環境傳感與成像的光學傳感器主要包括熒光染料和量子點等材料， 然而它們通常存在易于發生光漂白、猝滅或光閃爍行為從而導致其穩定性欠佳的問題。另外，這些光學傳感器的檢測原理通常是基于熒光強度或者熒光壽命變化。它們的顏色變化單調，僅限于從無色到有色或者從一種顏色到另一種顏色，需要借助復雜的儀器來分析光學信號和觀測。光子晶體材料的結構色穩定、能在整個可見光譜范圍內連續可調、檢測精度高，能實現裸眼檢測。但是現有的響應性凝膠基光子晶體傳感器通常是以膜或微球形式存在的，尺寸大多在數百微米及以上。這導致它們不能應用于微環境的傳感與成像檢測，同時顏色分辨率低，被檢測物質在其中的擴散距離大、變色速度慢。因此，大幅減少尺寸，提高顏色分辨率與對外界刺激的響應速度是實現響應性凝膠基光子晶體傳感器應用于微環境傳感與成像等領域亟待解決的問題和技術關鍵。

  針對這一挑戰，武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室長江學者官建國教授團隊在發明空間位阻型磁響應光子晶體（Advanced Materials, 2014, 26: 1058, doi: 10.1002/adma.201304134）的基礎上，首次發展了磁場輔助的粒子組裝體模板氫鍵誘導聚合技術，制備了將單根磁響應粒子鏈狀有序納米結構固定在響應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十納米，它對外界刺激的響應速率和顏色分辨率分別超過40毫秒和微米量級。這比以前報道的凝膠基光子晶體傳感器均高出2-3個數量級以上。這個結果首次驗證了將結構色用于微環境傳感和成像的可行性，也將顯著促進響應性光子晶體在顯示和印刷領域中的應用。

  圖1. 光子納米鏈的制備方法。利用磁場輔助粒子組裝體模板氫鍵誘導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構。磁場輔助粒子組裝體模板氫鍵誘導聚合法的關鍵在于：聚合反應發生前，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域。它們在外磁場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構，并在紫外光引發下發生快速聚合轉化為凝膠鎖定一維磁性光子晶體有序結構。與此同時，其它區域中的預聚液由于單體濃度較低聚合速度較慢，依然保持液態。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響應型光子納米鏈的顯色以及變色機理。當外部環境發生變化時，光子鏈凝膠殼層的體積發生變化導致鏈的長度隨之改變，鏈中粒子間的距離d也相應的變化，從而衍射出不同的結構色。值得注意的是光子鏈的顏色并不受到磁場大小變化的影響，從而確保了此種材料作為傳感器的準確性。

  圖3. pH響應型光子納米鏈的實時響應特性。通過設計如圖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的轉變，從而可以計算出光子鏈的響應時間大概為40 ms [=距離(100 μm) /速度(2.5 mm/s)]. 這個結果比傳統凝膠型光子晶體的響應時間高了2~3個數量級。

  圖4. pH響應性光子納米鏈在微環境中實現高分辨實時可視化檢測。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，可以實時可視化地觀測到氫離子在微環境中的擴散過程。

  圖5. 光子納米鏈組成的調控。采用這種磁場輔助粒子組裝體模板氫鍵誘導聚合法，通過更換不同的響應性凝膠單體，也可以制備出溫度和溶劑等刺激響應性光子納米鏈。另外，還可以通過對聚合過程中交聯度含量的調節，得到剛度連續可調的納米鏈，從而有望應用于高分子鏈的模擬以及磁控鞭毛運動微納米機器人等領域。

  以上成果發表在美國化學會期刊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茹副教授。

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

官建國教授簡介

  官建國，博士、教育部長江學者特聘教授、武漢理工大學材料學科首席教授、材料科學與工程國際化示范學院教學院長、博士生導師，國家級“新世紀百千萬人才工程”人選、湖北省高端人才引領培養計劃首批人選，享受國務院政府特殊津貼，兼任中國微米納米技術協會理事以及微納執行器與微系統分會副理事長、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》等期刊的編委，也是國家科技獎勵、“萬人計劃”青年拔尖人才和“長江學者獎勵計劃”評審專家、科技部863計劃、國家重點研發計劃和國家自然科學基金項目評審專家等，以及Adv Mater, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Nano Lett, ACS Nano和Energy Environ Sci等50余種國際著名學術期刊的特約審稿人。

  他自1997年創建納米復合技術與功能復合材料研究團隊以來，致力于開展電磁功能復合材料、微納米馬達和響應性光子晶體研究。先后負責或領導研究團隊承擔了包括10項國家自然科學基金項目、4項國家863項目、6項重點型號材料配套項目、3項總裝預研計劃和1項國防科工委專項計劃生產能力建設項目等在內的國家和省部級重點科研項目80余項。多項研究成果分別通過了教育部、中航工業、船總和航天科工集團的項目成果鑒定和產品鑒定，認定“綜合技術水平居國內領先，達到了國際先進水平”，并被納入國軍標，實現了在多個國家重要軍工型號裝備上的規模化工程應用和產業化。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，已獲授權國家(或國防)發明專利31項（2013-17年12項）；作為會議主席，他成功舉辦了1st International Conference on Micro-/Nanomachines（Science期刊免費整版刊發了會議報道）等國際和全國學術會議，并受邀在國際或全國學術會議上作大會報告、特邀報告、專題報告或分會主席20余次。已獲湖北省技術發明獎一等獎、軍隊科技進步一等獎和湖北省教學成果一等獎等省部級科技和教學成果獎勵9項，以及“高技術武器裝備發展建設工程有功個人”等榮譽稱號。

  他指導培養博士、碩士研究生和博士后140余人，其中近20人已成長為二級教授、國家優青、上市公司或國有企業技術總監或副總經理，或自己成功創辦企業成為總裁。