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光子晶体感测器的秘密：如何改变颜色就能测出环境变化？
光子晶体感测器的工作原理是基于光子晶体的结构，这些纳米结构由有序的介电材料组成，通过其特定的结构与光进行互动，反射出特定波长的光。随着光子晶体的周期性或折射率的改变，所反射的颜色也会发生变化。这一简单的原理使得光子晶体感测器成为各种应用中的理想颜色测量感测器，包括环境分析、温度感测、磁场感测、生物感测、诊断、食品质量控制、安全性以及机械感测等。许多自然中的生物，例如鱼类和甲虫，利用响应式光子晶体来进行伪装、信号传递或引诱猎物。
这种结构材料的多样化—from 无机材料到有机材料及等离子金属纳米粒子—使得光子晶体具有高度的可定制性和多样性。
在这些无机材料中，折射率的变化是最常用于感测的效果，而在基于聚合物的感测器中，周期变化更为常见。随着制造技术的发展，光子晶体感测器的尺寸小巧且便于大规模生产，降低了生产成本，从而使其更加实用。
类型与结构
生物感测器与集成芯片
经过精心设计的光子晶体显示出高灵敏度、选择性和稳定性，并可在必要时实现无电操作，使其成为生物感测器研究的热点。分析技术、设备小型化、流体设计与集成的发展，促成了光子晶体感测器的集成化发展，这些集成感测器的灵敏度高、检测限低、响应速度快且成本低廉。这种感测器能够检测蛋白质、DNA、癌细胞、葡萄糖及抗体等生物指标，提供快速、便宜且准确的诊断和健康监测工具，可以检测至低于15 nM的浓度。
某些化学或生物目标分子可以被整合到结构中，以提供特异性。
化学感测器
由于化学分析物拥有独特的折射率，它们可以填充多孔的光子结构，从而改变其有效折射率，并且可呈现出指纹般的颜色变化。相反，它们还可以改变聚合物基结构的体积，导致周期性变化，因此也会出现类似的结果。在含有离子的水凝胶中，其选择性膨胀会导致其特异性。对于气体和水环境的应用已经研究了对化学物质、溶剂、蒸气、离子、pH和湿度的浓度检测。
机械感测器
光子晶体感测器可以检测不同的机械信号，例如压力、应变、扭曲和弯曲。这些感测器通常基于在弹性材料（如弹性复合材料或胶体晶体）中的格子常数变化，造成机械色发生变化。光子晶体的这种特性使其在多种感测应用中表现出色。
三维光子晶体
合成蛋白石是三维光子晶体，通常由自组装的纳米球组成，直径一般在数百纳米的量级。这些纳米球的高折射率材料及其与空气或其他填料的低折射率材料相互作用。另一方面，逆蛋白石结构是指球与球之间的空隙被另一种材料填补，然后去除球体，从而提供更大的自由体积以加速化学物质的扩散。
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种特殊的光学纤维，包含以特定模式分布的空气孔，围绕着实心或空心的核心。它们由于具有高灵敏度、内在灵活性和小直径，使其可以在需要高韧性和可携性的多种情境中使用。与传统光学纤维相比，它们具有高度的双折射性、可调的色散、有限的损耗和长距离的单模传递。
二维光栅及平面结构
通过选择性去除材料形成的具有两维秩序的一维平面结构，是一种常用的光子晶体结构，在感测中具有重要应用。
法布里-佩罗镜
法布里-佩罗镜是一种平面光子晶体，其周期性仅在z方向上保持。在平面一维结构中，包括喷涂过的多孔无机感测器、旋转涂布的聚合物感测器及自组装的块共聚物等是常见的使用材料。
透过这些广泛的应用及发展，光子晶体感测器不仅提供了高敏感度，更成为了未来环境监测、医疗诊断及安全检测不可或缺的重要工具。随着技术的进步，这些微小但强大的感测器将如何改变我们的生活，真正成为环境变化的“颜色预报员”呢？
