[发明专利]响应活化剂的胶体晶体阵列

说明书

发明领域

本发明涉及由辐射衍射材料制成的传感器，更特别地涉及当与活化剂组合物接触时显示衍射波长变化的辐射衍射传感器。 

背景技术

基于胶体晶体阵列的辐射衍射材料已经用于多种目的。胶体晶体阵列(CCA)是单分散的胶体颗粒的三维有序阵列。该颗粒通常由诸如聚苯乙烯的聚合物胶乳或诸如二氧化硅的无机材料构成。 

颗粒的这类胶态分散体可以形成晶体结构，其具有与紫外、可见光或红外辐射的波长相当的点阵间距。这些晶体结构已经用于从入射辐射的宽光谱中过滤选定波长的窄谱带，同时允许邻近辐射波长的透射。已经通过将颗粒分散在液体介质中而产生现有器件，由此该颗粒自排列成有序阵列。所述颗粒通过相互聚合或者通过引入使颗粒溶胀并融合在一起的溶剂而融合在一起。 

在CCA的其他应用中，有序阵列被固定在基质中而且当该固定阵列衍射可见光谱中的辐射时可以被用作着色剂。作为选择，制造CCA衍射辐射以便用作滤光器、光开关和光学限幅器。虽然这些CCA使用恒定的粒子间距，但是当粒子间距响应刺激而变化时CCA可以用作传感器。 

近来，已经由含有在水凝胶内聚合的CCA的水凝胶制备这类传感器。包围着CCA的水凝胶的聚合物响应特定的外部刺激而改变构象。例如，水凝胶的体积可以响应刺激而改变，所述刺激包括化学品的存在，诸如溶液中的金属离子和有机分子例如葡萄糖，使得该器件可用于化学分析。在水凝胶基器件中，单分散的高度带电的胶体颗粒被分散在低离子强度的液体介质中。所述颗粒由于其静电荷而自组装成 CCA。这些有序结构根据布拉格定律衍射辐射，其中反射满足布拉格条件的辐射而不满足布拉格条件的邻近光谱区域透射通过该器件。 

根据布拉格定律衍射辐射的有序周期性颗粒阵列满足以下方程式： 

mλ＝2ndsinθ 

其中m为整数，λ为被反射的辐射的波长，n为该阵列的有效折射率，d为颗粒层之间的距离，θ为被反射的辐射与颗粒层平面产生的角度。入射辐射在该阵列中的最上颗粒层处以角度θ被部分反射至第一层的平面并被部分透射至下方颗粒层。虽然也发生一些入射辐射的吸收，但是一部分被透射的辐射在该阵列中的第二颗粒层处以角度θ被部分反射并被部分透射至下方颗粒层。这种以角度θ的部分反射以及部分透射至下方颗粒层的特征持续穿过该阵列的厚度。被衍射的辐射的波长(λ)可以由尺寸d控制，该尺寸可以是每一层中颗粒中心的平面之间的距离。最初，对于填充颗粒的阵列而言被衍射的波长λ与颗粒直径成比例。然而，当周期性有序阵列中的颗粒层之间的距离(d)增大时，被衍射的辐射的波长也增大。响应特定化学物种而增大器件内的层际空间体积的传感器器件增大颗粒层之间的层际空间距离，从而改变被衍射的辐射的波长。 

在水凝胶基CCA中，当水凝胶的体积改变时，CCA的衍射波长改变。基于水凝胶的这些CCA器件通常含有高百分比的水，例如约30体积％。这些水凝胶基CCA是脆的而且当该CCA的含水量改变时具有其光学性能显著改变的倾向。 

为了克服水凝胶基CCA的这些缺陷，一种方法在于制备水凝胶基CCA，使包围该CCA的水凝胶基质脱水，然后用可聚合单体回填该阵列。聚合该单体以产生基本上不含水的聚合的胶体晶体阵列。这些阵列响应某些环境刺激，例如压缩应力(由此改变点阵间距)，从而改变CCA的衍射波长。 

然而，这些现有的水凝胶基CCA体系具有显著的生产和处理缺陷。需要更增强的CCA，其响应外加的化学刺激等表现辐射衍射性能而且 当除去该刺激时基本上恢复其初始的光学特性。 

发明概述 

本发明涉及一种辐射衍射传感器，其包括在基底上形成的有序周期性颗粒阵列和涂布于所述颗粒阵列上的固体基质组合物，其中选择所述基质组合物以响应活化剂，以至于对所述活化剂的暴露使由所述传感器衍射的辐射的波长从第一波长移位至第二波长。本发明还包括一种制备传感器的方法，其包括在基底上形成有序周期性颗粒阵列；用基质涂布所述颗粒阵列；和固化所述基质以将所述颗粒固定在该基质内，其中选择所述基质以响应活化剂，以至于对所述活化剂的暴露使由所述传感器衍射的辐射的波长移位。 

本发明还包括一种鉴定制品的方法，其包括在基底上形成有序周期性颗粒阵列；用基质涂布所述颗粒阵列；固化所述基质以将所述颗粒阵列固定在该基质内，从而制成衍射第一波长的辐射的传感器；将所述传感器施用于制品；和使所述传感器与活化剂接触，以至于所述活化剂使得所述衍射波长移位，其中移位的衍射波长指示所述制品的真实性。 

发明详述