最近,光子晶体被深入研究且广泛应用于物理、化学以及生物等领域。光子晶体作为一类重要的先进光学材料,最重要的特征就是具有光子禁带结构,以及对光波的调制作用。利用这种特性,人们通过合成具有特殊功能的光子晶体材料,在光、热、电场、磁场以及机械力等外界条件达到了对光子禁带调制的作用。与此同时,光子禁带的结构受材料折射率的影响,而且还与晶格参数密不可分。就三维胶体光子晶体而言,其Bragg衍射峰位置与晶格常数成正比,因此任何引起材料整体折射率或是晶格常数的改变都会引起光子禁带位置的移动。当光子晶体中引入刺激响应性的凝胶作为骨架时,其会受到外界条件如pH、温度、电场等的变化而产生强烈的体积膨胀、收缩。值得一提的是,利用凝胶这种膨胀、收缩的性质,结合光子晶体技术,人们就可以制备出以凝胶为材料的光子晶体,这种凝胶光子晶体可以对外界刺激产生响应同时具有自表达的功能。由凝胶体积变化引起的结构常数变化导致禁带移动很大,光学特性的变化往往能够直接通过肉眼观察到。这样就可以将化学信号转化为可读的光学信号,甚至是颜色变化。目前为止,以凝胶为骨架的光子晶体已广泛用作各类传感器。据我们所知,鲜有报道将光子晶体应用于生物活体成像的研究。因此,对core-shell结构的凝胶纳米微球用于组装成三维响应性的光子晶体颗粒的制备,以及用于生物活体成像的研究有待深入探讨。本文主要围绕响应性的光子晶体颗粒的制备,pH响应性的光子晶体颗粒用于Japanese medaka活体成像的研究,以及离子响应性的光子晶体用于淡水medaka和海水medaka体内离子分布成像的研究。具体的研究成果如下所述：用于自组装成光子晶体颗粒的单分散性聚合微球的制备我们通过沸腾无皂乳液聚合制备了三种具有不同表面性质的微球：聚苯乙烯/聚丙烯酸微球,毛发型聚苯乙烯/聚丙烯酸微球,以及以聚苯乙烯/聚丙烯酸微球为核和以聚丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶为壳层结构的core-shell凝胶微球。TEM图表明,毛发型聚苯乙烯/聚丙烯酸微球,与以聚苯乙烯/聚丙烯酸微球为核和以聚丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶为壳层结构的core-shell凝胶微球都是core-shell结构。与此同时,我们用这三种类型的微球制备出多分散性的光子晶体颗粒。SEM图可以看出,光子晶体颗粒的单分散性很差,然而组装成光子晶体颗粒的三种类型的微球都是单分散的,而且是呈正六边形规整堆积。通过比较上述三种不同表面性质微球的尺寸可以发现,随着组装成光子晶体颗粒的微球尺寸的增加,光子晶体颗粒的反射光谱会发生红移。同时,为了探讨用三种不同表面性质的微球组装成的光子晶体颗粒的pH响应性,我们将光子晶体颗粒分别置于正十六烯和pH缓冲液中。通过反射光谱测试可知,由于在正十六烯和pH缓冲液中,其反射峰的位置基本上没有改变,故可知聚苯乙烯/聚丙烯酸微球,和毛发型聚苯乙烯/聚丙烯酸微球组装成的光子晶体颗粒没有pH响应性。然而,以聚苯乙烯/聚丙烯酸微球为核和以聚丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶为壳层结构的core-shell凝胶微球组装成的光子晶体颗粒在正十六烯和一些列的pH缓冲液中呈现出明显的颜色改变,随着pH的升高,肉眼可见颜色从正十六烯的紫色转变为pHll时候的明亮的绿色,且光子晶体颗粒响应的反射光谱会发生明显的红移从462nm移至560nm。为了验证光子晶体颗粒pH响应的准确性,我们于25°测试了聚苯乙烯/聚丙烯酸微球,毛发型聚苯乙烯/聚丙烯酸微球,以及以聚苯乙烯/聚丙烯酸微球为核和以聚丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶为壳层结构的core-shell凝胶微球在相应pH下的动态直径Dz。结果表明,聚苯乙烯/聚丙烯酸微球载pH3时候的动态直径Dz为209±2nm,当pH为7时,其动态直径Dz基本上没变为208±3nm,故可知,当聚苯乙烯/聚丙烯酸微球表面未经修饰时候,其不具备pH响应性。由此也可以解释用聚苯乙烯/聚丙烯酸微球组装成的光子晶体颗粒没有pH响应的原因：单纯依靠聚苯乙烯/聚丙烯酸微球表面的羧基官能团之间的排斥作用不足以改变微球之间堆积的间距。然而,当在聚苯乙烯/聚丙烯酸微球表面接枝毛发型的聚丙烯酸的高分子链后,该毛发型微球有很好的pH响应性,其动态直径Dz从pH3时的245+1nm增加到pH11时的300+3。这是由于随着pH的升高,聚苯乙烯/聚丙烯酸微球表面的聚丙烯酸链段中的丙烯酸官能团去质子化而使得聚丙烯酸链伸展,从而使得其动态直径Dz增加,反之亦然。但是当pH升高到7以后,pH的增加仅仅使得体系盐分的增高,故其动态直径Dz会呈现先增后减的现象。尽管毛发型微球有着很好的pH响应性,但是用其组装成的光子晶体颗粒却没有pH响应性,推测其可能性有两个方面：第一是由于毛发型的聚丙烯酸链段未交联,故其仅仅拥有水凝胶与水的混合能,而不具备由于水凝胶交联而拥有的弹性能,因此仅仅依靠混合能难以改变光子晶体颗粒中微球的间距：第二可能是由于毛发型的微球不是如我们理想状态的毛发结构,而这一机理将有待于在接下来工作中深入探讨和验证。而以聚苯乙烯/聚丙烯酸微球为核和以聚丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶为壳层结构的core-shell凝胶微球,由于在聚苯乙烯/聚丙烯酸微球表面包裹上了一层交联的聚丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶层,因此该微球有着很好的pH响应性。其动态直径Dz从pH3时的210±3nm增加到pHll时的291+3nm,其pH响应的机理与毛发型微球的机理一样,但是与毛发型微球比较可以看到,其动态直径Dz随着pH增加的改变趋势要比毛发型的要舒缓得多,这是由于交联水凝胶层使得其壳层具有一定的弹性效应的缘故。更重要的是,core-shell凝胶微球组装成的光子晶体颗粒也有着同样灵敏的pH响应效果,这是由于交联的水凝胶壳层结构使得这种网络结构既具备由于水凝胶与水混合时候的混合能,同时也拥有由于交联带来的弹性能,使得光子晶体颗粒表面的凝胶微球在pH缓冲液中,随着pH的改变使得水凝胶壳层的收缩或溶胀所带来的凝胶微球间距的改变而导致Bragg衍射的改变,宏观上体现为光子晶体颗粒颜色的改变。由此,让我们受到启发,通过引进不同的水凝胶单体,可以得到不同响应性的光子晶体颗粒；与此同时,由于微球表面修饰的是生物相容性的水凝胶壳层结构,和光子晶体颗粒随外界环境改变时候肉眼可见的颜色改变,故启发我们将其用于生物活体成像的研究。光子晶体颗粒用于活体成像分析Japanese medaka的肠胃形貌和pH状况如前所述,我们利用沸腾无皂乳液聚合法制备了以聚苯乙烯/聚丙烯酸微球为核和以聚丙烯酸/聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶为壳层结构的core-shell凝胶微球,且己知道微球的大小对于组装成光子晶体颗粒的Bragg衍射有很大影响：微球尺寸增大会导致Bragg衍射红移,而当微球尺寸减小时,Bragg衍射会蓝移。为了获得较大的颜色跨度,所以我们利用实验中的配方来制备凝胶微球。与此同时,在种子共聚合过程中,我们通过改变单体丙烯酸,N-异丙基丙烯酰胺和交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的量来控制壳层结构的厚度和致密度。动态直径Dz的测试结果表明,当增加单体丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺的含量时,凝胶微球的壳层会变厚,从而使得其溶胀度会增大；然而当增加交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的量时,凝胶微球的网络结构的刚性增强,使得其对pH的响应变得温和,但是当在同一pH缓冲液中,增加交联剂含量时凝胶微球的动态直径Dz却比未增加交联剂含量时要大。我们认为这是由于沸腾无皂乳液聚合的温度要远高于交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的LCST,所以可知N,N’-亚甲基双丙烯酰胺相对于丙烯酸而言较疏水,故我们推测交联剂含量的增加使得丙烯酸均相聚合量大为减少,为了稳定微球从而使得丙烯酸更多地参与到凝胶壳层的聚合中去了,从而导致凝胶微球的壳层厚度增加,故使得其溶胀程度增加。当pH缓冲液中未另外加入盐分的时候,上述凝胶微球体现出很好的pH响应性。为了证明,该凝胶微球是否在生理环境下仍然有着很好的pH响应性,于是我们往一系列的pH缓冲液中都加入154mmM的NaCl,该浓度与生物体内的盐分浓度相似。通过测试动态直径Dz可知,即便在生理盐分浓度下,凝胶微球仍然体现出很好的pH响应性。与未加盐分且在同一pH值所测得的动态直径Dz相比,加入了154mmM的凝胶微球动态直径Dz要小,是由于盐分浓度的增加使得Donna渗透压降低而导致凝胶微球壳层收缩。我们的目标是将上述凝胶微球组装成的光子晶体颗粒在生理环境下成功应用于Japanese medaka的活体成像研究,且能够保证光子晶体颗粒在生物体内仍然能够有着很明显的颜色改变,以及能够保持结构的完整性。为此,我们将上述凝胶微球组装成光子晶体颗粒后于pH缓冲液中发现,在种子共聚合过程中,当加入的单体含量较少时,由其所组装成的光子晶体颗粒的pH响应的颜色跨度小,仅从pH3时候的紫色到pH11时候的蓝绿色,且从Japanese medaka的活体成像图难以分辨出其体内pH的改变。然而,当单体含量增加,交联剂含量相对不变的情况下,由其所组装成的光子晶体颗粒有着很好的pH响应,而且有着很大的颜色跨度从pH3时候的紫色到pHll时候的明亮绿色,但是由于交联剂含量未改变,从而使得光子晶体颗粒结构易受破坏而导致Bragg衍射很弱：组装成光子晶体颗粒的凝胶微球的壳层结构在低交联度时很柔软,容易过分溶胀而导致堆积结构易受到破坏,Japanese medaka的活体成像图亦证明了这一点。当我们增加交联剂的含量时,既能够使得凝胶微球组装成的光子晶体颗粒有着很大的颜色跨度,同时亦能够保持很好的结构完整性。在我们将pH响应性的光子晶体颗粒喂给Japanese medaka吃前,我们先检测了光子晶体颗粒在一系列未加有NaCl的pH缓冲液中,以及加有38.5mM,77mM和154mmM的NaCl的pH缓冲液中的反射光谱。通过比较发现,随着盐分浓度的增加,光子晶体颗粒的pH响应颜色改变跨度变窄,但是却依然在pH3和pH9时颜色上有着明显的区别,与此同时,光子晶体颗粒能够在生理盐分浓度下有着很好的pH响应性。故此,我们将光子晶体颗粒喂给出生五天的Japanese medaka吃。24h后显微镜观察发现,光子晶体颗粒在Japanese medaka体内清晰可见,且未出现任何毒副作用。由于Japanese medaka在年幼时是透明的,且没有胃,食道直接连接到中肠段,故其主要的消化部位是在中肠段。由胰腺,肠壁,胆汁和肝脏分泌的消化酶主要用于食物中的蛋白,脂肪和糖类的分解。对大部分teleostei而言,其消化酶作用的最佳pH值是碱性大约为pH7-9。Japanese medaka活体成像图表明,Japanese medaka的肠呈现环状,且于中肠段,光子晶体颗粒呈现出明亮的绿色,然而位于后肠段,光子晶体颗粒呈现出蓝色。故我们可以推测,Japanese medaka的中肠段pH值大约为8-9,而后肠段pH值大约为4-5,这与文献报道相符。由此,我们利用pH响应性的光子晶体颗粒成功地实现了Japanese medaka活体成像研究,且了解到其体内的形貌和微观pH环境,这不仅为光子晶体颗粒的应用开辟了一个全新的领域,与此同时亦是对生物学、解剖学提供了一种全新的探究生物体微观环境的方法。无毒光子晶体颗粒用于活体成像分析淡水和海水medaka的肠胃形貌和离子浓度状况我们利用pH响应性的光子晶体颗粒成功地实现了Japanese medaka活体成像研究,且了解到其体内的形貌和微观pH环境,与此同时,我们想更深入探索medaka体内的盐分浓度,以及淡水和海水medaka的区别。与前部分一样,我们利用沸腾无皂乳液聚合制备了以聚苯乙烯/聚丙烯酸微球为核和以聚甲基丙烯酸羟乙酯/聚对苯乙烯磺酸钠为壳层的凝胶微球。在种子共聚合过程中,通过改变交联剂的含量来进行对比得到凝胶微球动态直径Dz的差别。动态光散射所测得的Dz表明,由于对苯乙烯磺酸钠的含量较低,而且是很强的电解质,在聚合过程中,单独改变交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺的浓度对凝胶微球的表面性质改变不大。故不同交联剂浓度聚合所得到的凝胶微球的Dz在0-500mM的NaCl溶液中变化趋势相似,而且是仅受离子浓度的影响而不会受pH影响。由上述两种不同交联剂浓度聚合所得到的凝胶微球组装成的光子晶体颗粒在0-500mM的NaCl溶液中的颜色改变也基本上一样,由OmM的NaCl时的明亮的绿色转变为500mM的NaCl时的紫色,这是由于两种凝胶微球的溶胀度接近从而使得Bragg衍射差异较小。从反射光谱图可以看出,光子晶体颗粒的Bragg衍射随着离子浓度增加而蓝移,而且颜色转变明显,在NaCl的浓度为50mM时出现一个转折点。众所周知,淡水medaka生存在一个高渗透的环境中,因此体内离子依靠扩散来排出体外,而水通过渗透进入体内。为了维持体内盐分和水分的均衡,故淡水medaka通过腮来吸收离子,而体内过多的水分以尿液的形式排除体外。周围的水会随着食物一起进入淡水medaka的消化道内,而肠就是medaka一个很重要的消化组织,因为离子的吸收也在这个部位进行。据文献报道,淡水medaka中肠段的离子浓度要比后肠段的离子浓度要低,是由于该肠段的Na--和K+-ATPases的浓度比后肠段的要高。这与我们用单独离子响应的光子晶体颗粒验证的结果相符,从淡水medaka的显微镜图片我们可以看到,在medaka的中肠段,光子晶体显示出明亮的绿色,我们推测该段的离子浓度应该小于50mM,而后肠段中光子晶体显示出蓝色,故我们推测该段的离子浓度应该大于50mmM。然而,海水medaka却与淡水medaka生存环境恰恰相反,海水medaka周边是一个低渗透的环境,水分是依靠腮表面扩散来排除体外,而大量的盐分却被摄入到体内,所以很多海水鱼的肾小球都很小甚至有的鱼肾小球都退化了以减少水分的排除。海水medaka为了维持体内水分的均衡,所以需要大口大口地喝水。大约60-85%的海水在海水medaka的肠段吸收,同时伴随着水分和离子的吸收。通过离子响应性的光子晶体活体成像图我们可以看到,从海水medaka的中肠段到后肠段,光子晶体的颜色都一样都是蓝色,由此可知海水medaka体内盐分的浓度大于50mM,这与文献报道的结果相符。结果表明,利用生物相容性和单独离子响应性的光子晶体颗粒可以成功反映出淡水medaka和海水medaka体内盐分梯度,同时也揭示出两种medaka体内盐分的差异是由于其生活环境和体内离子均衡机理的差异导致。