Responsive Hydrogel-based Photonic Nanochains for Microenvironment Sensing and Imaging in Real Time and High Resolution

微尺度化学 结构着色 材料科学 光子学 纳米技术 光漂白 微流控 自愈水凝胶 量子点 生物成像 光子晶体 光电子学 荧光 光学 物理 数学教育 高分子化学 数学
作者
Wei Luo,Chao Qian,Kai Fang,Ke Chen,Hui Ma,Jianguo Guan
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:20 (2): 803-811 被引量:85
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.7b04218
摘要

Microenvironment sensing and imaging are of importance in microscale zones like microreactors, microfluidic systems, and biological cells. But they are so far implemented only based on chemical colors from dyes or quantum dots, which suffered either from photobleaching, quenching, or photoblinking behaviors, or from limited color gamut. In contrast, structural colors from hydrogel-based photonic crystals (PCs) may be stable and tunable in the whole visible spectrum by diffraction peak shift, facilitating the visual detection with high accuracy. However, the current hydrogel-based PCs are all inappropriate for microscale detection due to the bulk size. Here we demonstrate the smallest hydrogel-based PCs, responsive hydrogel-based photonic nanochains with high-resolution and real-time response, by developing a general hydrogen bond-guided template polymerization method. A variety of mechanically separated stimuli-responsive hydrogel-based photonic nanochains have been obtained in a large scale including those responding to pH, solvent, and temperature. Each of them has a submicrometer diameter and is composed of individual one-dimensional periodic structure of magnetic particles locked by a tens-of-nanometer-thick peapod-like responsive hydrogel shell. Taking the pH-responsive hydrogel-based photonic nanochains, for example, pH-induced hydrogel volume change notably alters the nanochain length, resulting in a significant variation of the structural color. The submicrometer size endows the nanochains with improved resolution and response time by 2-3 orders of magnitude than the previous counterparts. Our results for the first time validate the feasibility of using structural colors for microenvironment sensing and imaging and may further promote the applications of responsive PCs, such as in displays and printing.

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