1. 研究目的与意义（文献综述）
微纳米发动机(micro/nano-motors)是一类尺寸在微米或纳米尺度，能将其它形式能量转化为自身动能的器件。因具有运动特性，它可在液相介质中“主动”装载、运输和释放各种微纳米“货物”，在环境检测、药物运输、细胞分离、微手术及超结构自组装系统等方面有重要的应用前景，是当前科学研究的国际前沿和热点之一。目前该领域研究的一大重点是研制对燃料依赖小、与生物相容，能执行各种任务的微纳米发动机。
响应性光子晶体(responsivephotonic crystals, rpcs）是指在外界环境刺激条件改变时，光子晶体的晶格参数或折光指数会随之改变，从而表现出结构色彩随外场刺激变化的特点。因此响应性光子晶体通常会被用作传感器去检测环境温度、压力、湿度、溶剂、ph、离子强度、生物分子浓度等。响应性光子晶体主要有膜、(微)球和一维纳米链等三种形式。其中，一维纳米链作为最小的光子晶体单元（直径100-200 nm，长度在数微米至数十微米之间），可实现高分辨和快速响应显色。然而，目前所报道的一维光子晶体链是sio2或c包覆fe3o4粒子阵列的硬链，仅能利用光子晶体链在磁场下取向实现“开关”式显色。如果将fe3o4粒子阵列固定于响应性水凝胶基体中形成响应性一维光子晶体链，不仅可以实现磁场取向导致的“开关”式显色，还可实现根据环境因素的改变，如温度、ph、离子强度等的改变，刺激水凝胶产生体积变化，改变光子晶体的晶格参数使其结构色改变或特征衍射峰移动，从而达到对环境因素传感的目的。由于一维光子晶体链是目前最小的光子晶体单元，当它作为传感器时，与受测环境的接触面积相对于光子晶体膜或(微)球要大得多，与环境的物质交换速率快，因此预期一维光子晶体链作为传感器时具有比光子晶体膜或(微)球响应更迅速的优势。此外，赋予一位光子晶体链运动能力，使其可以“主动”接近受测靶分子，极大地缩短靶分子到达光子晶体的扩散时间，从而进一步提高检测速度。如果要赋予一维光子晶体链运动能力，必须在一维光子晶体链的一端连接上一饱和磁化强度高于fe3o4@pvp纳米粒子的组分构筑的“头部”来打破一维光子晶体链的对称性，从而实现其在周期性变化的磁场下的运动。
2. 研究的基本内容与方案
本课题将开发一种响应性磁性光子晶体链微米发动机，利用其在振荡磁场下的运动 “主动”结合水溶液或生物介质（血清或血浆等）中的受检靶离子或分子，通过结合靶离子或分子前后磁性光子晶体链的结构色的改变或特征衍射峰的移动，实现对靶分子的快速高精度检测。本课题包含的研究内容有以下几个方面：
① 制备磁性光子晶体链微米发动机。
研究磁性光子晶体链的结构参数（组分比例、直径和长度等）的控制规律。
a. 研究Fe3O4@PVP粒子浓度、聚合物单体种类和浓度以及浸泡时间对磁性光子晶体链微米发动机中聚合物的含量、链直径的影响规律；
b. 研究光固化时液膜的厚度、Fe/Ni合金粒子含量对光子晶体链与Fe/Ni合金粒子的连接情况的影响规律；
c. 研究紫外光固化时磁场的大小，施加磁场的时间，以及紫外光的照射时间对磁性光子晶体链微米发动机的长度和Fe3O4@PVP粒子间距的影响规律。
② 研究磁性光子晶体链微米发动机的运动性能。
a. 研究磁性光子晶体链微米发动机链长度对发动机运动规律的影响；
b. 研究磁场强度、振动频率对磁性光子晶体链微米发动机的运动性能的影响；
c. 研究不同运动环境, 如水溶液、血清、血浆等，对磁性光子晶体链微米发动机的运动性能的影响。
③ 研究磁性光子晶体链微米发动机的传感性能
a. 研究Fe3O4@PVP磁性光子晶体链微米发动机的运动溶液环境中pH值与其结构色、特征衍射峰位置和移动范围的关联性；
b. 研究磁性光子晶体链微米发动机的直径和长度对其pH响应时间的影响规律。
本课题的目标是设计制备出具有环境因素（pH）检测功能的磁性光子晶体链微米发动机。
① 性光子晶体链微米发动机的制备与结构调控。
磁性光子晶体链微米发动机的制备过程如图1所示，即首先将Fe/Ni合金粒子加入到分散有Fe3O4@PVP粒子、聚合物单体、交联剂和引发剂的溶液中，并施加一个外部磁场，铁磁性的Fe/Ni合金粒子在磁场作用下优先沉降至容器底部，同时Fe3O4@PVP粒子组装成一维链状结构，然后用紫外光照射引发单体固化即可形成带Fe/Ni合金粒子的Fe3O4@PVP/响应性聚合物光子晶体链微米发动机。制备过程如下：
图1
a. Fe3O4@PVP磁性光子晶体链微米发动机的制备
Fe3O4@PVP粒子根据文献（Adv. Mater. 2014, 26, 1058.）的方法合成。Fe/Ni合金纳米粒子根据文献（CrystEngComm, 2012, 14, 7626–7632）的方法制备。 然后，将Fe3O4@PVP纳米粒子、单体丙烯酸(AA)和甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、交联剂和紫外光引发剂按照一定比例混合，取出50 μL上述混合液加入到质量比为4:3的乙二醇和水的混合液中，再加入20 μL一定浓度Fe/Ni合金纳米粒子悬浮液，充分混合后取一定量均匀铺展于2525 mm的载玻片上，于圆形磁铁中心上方一定距离静置一段时间，随后开启紫外灯照射使体系中的单体聚合。聚合完成后将载玻片置于培养皿中，用乙醇冲洗以去掉游离的链和反应体系中的液体，得到浸泡在乙醇中的样品。
b.磁性光子晶体链微米发动机的结构控制。
通过控制Fe3O4@PVP粒子浓度、聚合物单体浓度以及浸泡时间来调控磁性光子晶体链中聚合物的含量、链直径；通过调节光固化时液膜的厚度、Fe/Ni合金粒子含量对光子晶体链与Fe/Ni合金粒子的连接情况进行调节。通过控制紫外光固化时磁场的大小，施加磁场的时间，以及紫外光的照射时间对磁性光子晶体链的长度进行调控。
②研究磁性光子晶体链微米发动机的运动规律。
Fe3O4粒子阵列/聚合物链的磁驱纳米发动机的运动性能在我们自己搭建的性能测试平台上进行检测。利用1 mm厚硅脂在载玻片上围出一个2*4 cm的方形池，将500μL运动介质（水、血浆、血清等）加入到上述方形池中。然后将10 μL制备得到的纳米发动机悬浮液(浓度为50 mg/L)滴加到测试平台中。光学显微镜图像和视频在配备有数码相机的荧光显微镜(Leica DM3000B)显微镜上获得。利用视频图像分析软件(VirtualDub和 ImageJ)分析磁性光子晶体链微米发动机运动轨迹并计算相应的物理常数。
为了研究磁性光子晶体链微米发动机的长度、聚合物包覆层厚度对其在水介质中的运动状态的影响规律，将10 μL的具有不同粒子长度、聚合物层厚度微米发动机加入到500 μL水介质中，观察并分析其运动状态。
为了研究磁场强度、振动频率对磁性光子晶体链微米发动机的运动性能的影响规律，将10 μL的含有微米发动机加入到500 μL水介质中，并外加强度为0-20 G，振动频率为1-80HZ的磁场并观察分析纳米发动机的运动状态。
为了研究不同运动环境对磁性光子晶体链微米发动机的运动状态的影响规律，分别使用水溶液、模拟体液、人体血清和血浆为运动介质，观察并分析磁性光子晶体链微米发动机的运动状态。
③研究磁性光子晶体链微米发动机的传感性能。
a. 研究Fe3O4@PVP磁性光子晶体链微米发动机的运动溶液环境中pH值改变对其结构色、特征衍射峰位置和移动范围的关联性；
将一定量的磁性光子晶体链微米发动机分散到5 mL 去离子水中，并将其置于磁场的正上方，通过在去离子水中加入HCl或NaOH溶液调节pH值，用光学显微镜（Leica DMI300B）反射暗场观察和记录磁性光子晶体链的结构色改变，用光纤光谱仪（OceanOpticsUSB2000 ）检测在不同pH值下衍射峰位置变化和移动范围，分析衍射峰位置与溶液pH值的关系，并进行Origin数据拟合；
b. 分析磁性光子晶体链的直径和长度对pH值的响应时间的影响。
3. 研究计划与安排
第1-2周：查阅相关文献资料，翻译英文文献；
第3-5周：整理资料，在任务书的基础上，设计研究方案，确定切实可行的实验技术路线，了解相关的结构和性能的测试方法；撰写开题报告，开题答辩；
第6-10周：磁驱光子链纳米发动机的制备和表征；
4. 参考文献（12篇以上）
[1] luow, ma h, mou f, et al. steric‐repulsion‐basedmagnetically responsive photonic crystals[j]. advanced materials, 2014, 26(7):1058-1064.
[2] wu k l, yu r, wei x w.monodispersed feni 2 alloy nanostructures: solvothermal synthesis, magneticproperties and size-dependent catalytic activity[j]. crystengcomm, 2012,14(22): 7626-7632.
[3] wang j, gao w.nano/microscale motors: biomedical opportunities and challenges[j]. acs nano,2012, 6(7): 5745-5751.
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