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香港大學王立秋、侯儀、袁帥/香港城市大學陳家宏團隊《Adv. Mater.》：光子晶體集成光電器件用于超痕量分析物高分辨率檢測

2022-12-10 來源：高分子科技

超痕量分析物檢測技術可用于糖尿病等多種疾病的無創診斷和監測。光子晶體因其具有高比表面積、高孔隙率，以及卓越的光信號增強效果，是實現高靈敏度生化分析物檢測的理想材料。然而，目前的二維光子晶體材料受限于尺寸和厚度，無法提供足夠的比表面積和孔隙率，導致大多數基于光子晶體的傳感器存在信號弱、信噪比低的問題，在可見光譜中僅表現出有限的結構色域，并且檢測結果大多依賴于主觀判斷，對色盲、色弱人士不友好。將光子晶體與光電傳感器結合有望實現超痕量分析物的快速、數字可視化和實時高分辨率信號讀出。然而，能適配商業化光電傳感器的大尺寸、無缺陷、高強度光子晶體的高效制備和回收仍存在諸多挑戰和難點。

近期，香港大學王立秋教授、侯儀博士、袁帥博士和香港城市大學陳家宏教授團隊合作，利用聚倍半硅氧烷與單分散SiO₂納米顆粒混合，并通過超疏水基底緩慢油浴蒸發制備得到了厘米級、無缺陷、高強度、可回收的三維復合光子晶體。該材料具有優異的力學強度，其模量和壓應力分別達到9.95 GPA，54.27 MPa；其硬度可達0.66 GPa，甚至超過大多數塑料 (H < 0.3 GPa) 和鋁合金 (H = 0.49 GPa)。高機械強度使其可以被加工成不同的尺寸和形狀，以適配現有的商業化光電傳感器。此外，交聯的Si-O-Si網絡可以在室溫下快速解聚，將復合光子晶體研成粉末并加水完全溶解后，經過清洗即可重新得到單分散SiO₂納米顆粒，回收率高達93.05%，實現了納米材料的綠色循環利用，進一步提高其大規模應用的經濟性。將切割后得到的矩形光子晶體與商業化光電傳感器結合，即可實現超痕量分析物的高分辨率檢測 (圖1A)。傳感器的信噪比從30~40 dB顯著提升至60~70 dB，檢測物所需的最小體積低至5 μL。該器件無論是用于檢測純化學試劑還是人工汗液葡萄糖濃度，均具有較高的檢測精度和可靠性，非常適合早期診斷和微量藥物檢測，并為在其他便攜式光電設備中的更廣泛應用鋪平了道路。該工作以“Photonic Crystal-Integrated Optoelectronic Devices with Naked-Eye Visualization and Digital Readout for High-Resolution Detection of Ultratrace Analytes”為題發表在國際著名期刊《Advanced Materials》上。文章第一作者是香港大學博士后侯儀博士和博士研究生袁帥，王立秋教授、陳家宏教授和侯儀博士為論文的共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖1. 基于矩形復合三維光子晶體的光電器件的設計。

沒有集成光子晶體的光電傳感器需要完全浸沒在大量分析物溶液中才能產生可靠的輸出信號。大部分目前的商用傳感器的光檢測區域都是厘米級的，因此使用現有技術 (例如微流控技術) 制備的光子晶體尺寸太小而無法與商用傳感器集成 (圖1B)。在本工作中，首先開發了一種簡單可靠的制備大尺寸無缺陷光子晶體的平臺。該平臺利用超疏水網狀表面作為基底，并通過油浴加熱緩慢蒸發SiO₂納米顆粒單分散液中的水分，使納米顆粒組裝過程中產生的應力得到有效釋放，實現了三維光子晶體的幾何形狀經歷從球形到橢圓形的過渡，最終得到厘米級、無缺陷的橢球形三維光子晶體 (圖2F)。

圖2. 具有不同尺寸、形狀的無缺陷大尺寸光子晶體的制備及其SEM照片。

通過由氨基丙基官能化的聚（倍半硅氧烷）雜化Si-O基粘合劑部分填充三維光子晶體的孔隙，從而在不破壞納米顆粒長程有序排列的前提下制備出具有足夠剛度和模量的復合光子晶體 (圖3A)。優異的力學性能使其可以被加工成合適的形狀 (例如矩形)，以完全覆蓋光電傳感器平坦的光檢測區域 (圖1E)。相比之下，傳統方法制備的光子晶體因尺寸較小、底面彎曲，不能完全覆蓋光檢測區域，環境光的干擾大大削弱了攜帶超痕量分析物物理信息的光反射信號，導致傳感器的靈敏度降低 (圖1C-D)。

圖3. 高機械強度的橢球形復合光子晶體的制備。

考慮到納米顆粒制備的高成本，以及將其釋放到生態系統中可能產生的環境或健康問題，實現SiO₂納米顆粒的回收利用具有很重要的實際意義，特別是針對大規模應用的場合。在本工作中，得益于Si-O-Si網絡的可逆性，制備的復合光子晶體可以在室溫下完全溶解于水中，實現納米顆粒的循環利用 (圖4A-C)。回收的SiO₂納米顆粒可以被當做重新制備復合光子晶體的原材料，其產物與原始光子晶體具有完全相同的力學強度和微觀結構。此外，Si-O-Si混合粘合劑增加了SiO₂分散液的粘度，從而能夠制備出具有復雜形狀的三維光子晶體 (圖4G-H)。

圖4. 復合光子晶體的回收利用以及復雜形狀光子晶體的制備。

將制備的復合光子晶體切割成矩形，并完全覆蓋在商業化光學心率傳感器的檢測區域，即可用于超痕量分析物檢測，實現高分辨率快速數字信號讀出 (圖5A-B)。基于被測物反射率的細微差別，各種肉眼無法區分的無色透明化學分析物可以被高效的區分出來，并且僅需將5 μL分析物液滴滴在傳感器上就可以產生可靠的輸出信號 (圖5D-F)。該傳感器還可以用于檢測人工汗液中的葡萄糖含量，有望取代傳統的血液檢測方法，實現糖尿病的無創診斷和監測 (圖5I-K)。實驗結果證明該傳感器可在糖尿病風險濃度范圍內提供可區分的輸出信號，證明基于光子晶體的光電傳感器在實時汗液葡萄糖監測和便攜式糖尿病診斷方面具有巨大的應用潛力。

圖5. 用于超痕量分析物檢測的基于矩形復合光子晶體的光電傳感器。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202209004

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（責任編輯：xu）

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