具有周期性介電納米結構的光子晶體傳感芯片因其獨特的光子禁帶引起的結構色、反射率和熒光增強而被廣泛應用于增強傳感信息，利用其優異的光學調制和結構多樣性實現了多種重要分析物的高靈敏和選擇性檢測，極大地簡化了檢測過程。多禁帶、角度依賴的光子晶體芯片可實現了多元複雜體系的分析[Angew. Chem. In. Ed. 2013, 125, 7296-7299; Angew. Chem. In. Ed. 2016, 128, 7025-7028.]，但仍不能滿足現場檢測和日益增長的需求，特别是對可穿戴或便攜式傳感設備的可拉伸性、多功能性和簡便性的要求。
近日，太阳集团1088vip李風煜教授團隊聯合解放軍總醫院李春寶主任團隊在《ACS Nano》上發表題為“A Rainbow Structural Color by Stretchable Photonic Crystal for Saccharide Identification”的原創性研究論文。文章的第一作者是太阳集团1088vip副教授謝新媛。通訊作者為太阳集团app首页李風煜教授和解放軍總醫院李春寶主任。該論文實現了光子晶體檢測芯片的可拉伸性、多功能性和進一步簡單化。論文通過對柔性光子晶體結構色的調節，研究其納米結構和光學性質在拉伸過程中的變化規律，利用其對熒光指示劑的差異化增強作用來提供豐富的光學信息，實現複雜體系的多元分辨。
對于柔性光子晶體材料（PC），其結構色（禁帶）可以通過彈性變形來調節，産生連續光譜而構造出絢麗的彩虹色（圖1a）。在白光照射下，由聚苯乙烯（PS）納米球（直徑270nm）在膠狀聚丙烯酸酯（PEA）基質中有序排列而成的可拉伸PC膜顯示紅色（圖1b）。當PC膜被拉伸時，膠體晶格發生規則變形（圖1c），均勻六邊形的(111)晶面橫向拉伸，垂直面被擠壓，引起晶格間距的變化，使PC膜的結構色從紅色逐漸變為粉色、橙色、黃綠色、淺綠色和深綠色（圖1d），禁帶波長也相應地從630 nm移動到620、605、582、566和543 nm(圖1e)。反射峰的藍移符合布拉格定律，反射率随拉伸率的增大而減小（圖1e&f）。因此，在不同拉伸率下具有不同檢測響應性的可拉伸PC膜可提供豐富的光學信息，便于構建用于多種分析物識别的傳感器芯片。
圖1. 可拉伸光子晶體膜——結構色和彈性光學特性：(a)受力不均勻時柔性PC膜的多彩結構色；(b) 可拉伸PC膜的納米結構-顔色對應示意圖；(c)不同拉伸率(εx)下PC膜的SEM圖；(d) εx從0到5%，10%，20%，30%，40%的PC膜在白光照射下的光學照片；(e) 拉伸過程中PC膜的反射光譜；(f) 不同拉伸率下光子晶體膜的反射峰位置。
通過有限元分析方法研究了拉伸過程中PC膜内部電場的分布。結果表明不同拉伸率下PC膜的有限元模拟光譜，與其實測光譜完全吻合（如圖2）。證實了柔性光子晶體膜，在外界拉伸過程中，其光學行為可以定量分析。
圖2. 有限元分析(FEA)：(a)光子晶體膜在不同波長光照射下拉伸過程中的電場分布的有限元分析；(b)在606 nm光照下，10%拉伸PC膜内的電場分布；(c)不同拉伸率PC膜的有限元模拟光譜；(d) 拉伸過程中PC膜的變形機制。
選取茜素紅S-2-氨基乙基聯苯基硼酸酯（ARS-DPBA）、茜素紅S-苯硼酸（ARS-PBA）和曙紅Y三種熒光指示劑負載于PC膜上研究其彈性熒光增強特性，發現，熒光強度的差異性變化是由熒光染料的發射峰與光子禁帶的重合程度（慢光子效應）以及光子晶體反射率随拉伸率增大而下降的共同作用結果。光子晶體膜能夠在不同拉伸率下差異性地改變不同熒光染料的熒光強度，為高效的多光譜分析提供了豐富的傳感信息。（如圖3）
圖3. 可拉伸PC膜的可調諧熒光增強：(a) PC膜随拉伸率變化的禁帶與熒光染料ARS-DPBA, ARS-PBA和曙紅Y發射峰的匹配情況； (b)PC膜上熒光斑點的熒光強度随拉伸率變化而改變，其對不同光譜區域的熒光有不同程度的增強。
論文改變柔性光子晶體的拉伸率（0%、10%、20%、30%、40%），僅使用一種熒光指示劑 （ARS-DPBA）， 就可識别最小濃度為10- 7M的14種相似結構的糖類物質（如圖4）。此外，不同濃度、不同混合物和含糖類的真實樣品（飲料和汗液）也可以成功區分。該論文工作可為可穿戴設備、動态環境、臨床或健康監測輔助提供生物相容性的光學平台。
圖4. 可拉伸PC芯片用于各種糖類的鑒别 (a) ARS-DPBA斑點PC芯片對14種糖類的熒光響應。拉伸率的變化引起熒光信号的多樣性。 (b) 14種糖類的LDA鑒别結果。(c) 14種糖類的HCA分析的樹狀圖； (d) 梯度濃度下三種糖的得分圖，沿箭頭方向濃度增大。
總之，彩虹色柔性光子晶體芯片傳感策略避免了複雜的傳感元件設計和篩選，提供了一種先進的高效多元分析方法。本工作揭示了柔性光子晶體的彈性光學特性，為可穿戴設備、動态環境、臨床或健康監測輔助提供了一個創造性的光學平台。
原文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c08708
