壳聚糖浸渍TiO2纳米晶复合光学超表面用于比色叶片检测

《ACS Nano》：Chitosan-Infiltrated TiO2 Nanocrystal Composite Optical Metasurfaces for Colorimetric Leaf Sensing

　　

摘要

我们报告了一种几何结构和成分都极为复杂的介电超表面的设计与制造方法，这类超表面被称为纳米晶体-自适应聚合物复合光学超表面（NCOMs）。它们由纳米晶体构建单元和响应刺激的聚合物构成，可用于制造高性能的光学传感器。这类NCOM传感器是通过直接纳米压印光刻技术，在可紫外线固化的TiO₂纳米晶体油墨中制造出来的，从而形成具有表面浮雕光栅结构的光学超表面，这类结构能够实现高反射率以及窄带引导模式共振。在室温下通过配体交换反应，可以生成纳米多孔的TiO₂骨架，随后再让响应刺激的聚合物渗透进这种骨架中，同时保持超表面的几何结构与光学性能。作为概念验证，我们将一种对湿度敏感的生物聚合物壳聚糖引入到纳米多孔的TiO₂超表面中，结果发现其灵敏度相比传统聚合物与超表面直接接触的传感器提升了430%。NCOM超表面的设计使其共振波长位于750纳米以上，因此可以使用常规的可见光-近红外硅光电探测器进行检测，同时在400–700纳米的植物光合作用活跃波段内仍保持宽谱透明性，便于无干扰地监测作物健康状况。NCOM传感器以朝下放置的方式安装在叶片上，其高反射率的共振信号很容易与叶片背景区分开来，并且能对叶片的水分胁迫做出动态响应，从而实现无需电池的被动式叶片表面湿度监测。