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光子晶體感測器的秘密：如何改變顏色就能測出環境變化？
光子晶體感測器的工作原理是基於光子晶體的結構，這些納米結構由有序的介電材料組成，通過其特定的結構與光進行互動，反射出特定波長的光。隨著光子晶體的周期性或折射率的改變，所反射的顏色也會發生變化。這一簡單的原理使得光子晶體感測器成為各種應用中的理想顏色測量感測器，包括環境分析、溫度感測、磁場感測、生物感測、診斷、食品質量控制、安全性以及機械感測等。許多自然中的生物，例如魚類和甲蟲，利用響應式光子晶體來進行偽裝、信號傳遞或引誘獵物。
這種結構材料的多樣化—from 無機材料到有機材料及等離子金屬納米粒子—使得光子晶體具有高度的可定制性和多樣性。
在這些無機材料中，折射率的變化是最常用於感測的效果，而在基於聚合物的感測器中，周期變化更為常見。隨著製造技術的發展，光子晶體感測器的尺寸小巧且便於大規模生產，降低了生產成本，從而使其更加實用。
類型與結構
生物感測器與集成芯片
經過精心設計的光子晶體顯示出高靈敏度、選擇性和穩定性，並可在必要時實現無電操作，使其成為生物感測器研究的熱點。分析技術、設備小型化、流體設計與集成的發展，促成了光子晶體感測器的集成化發展，這些集成感測器的靈敏度高、檢測限低、響應速度快且成本低廉。這種感測器能夠檢測蛋白質、DNA、癌細胞、葡萄糖及抗體等生物指標，提供快速、便宜且準確的診斷和健康監測工具，可以檢測至低於15 nM的濃度。
某些化學或生物目標分子可以被整合到結構中，以提供特異性。
化學感測器
由於化學分析物擁有獨特的折射率，它們可以填充多孔的光子結構，從而改變其有效折射率，並且可呈現出指紋般的顏色變化。相反，它們還可以改變聚合物基結構的體積，導致周期性變化，因此也會出現類似的結果。在含有離子的水凝膠中，其選擇性膨脹會導致其特異性。對於氣體和水環境的應用已經研究了對化學物質、溶劑、蒸氣、離子、pH和濕度的濃度檢測。
機械感測器
光子晶體感測器可以檢測不同的機械信號，例如壓力、應變、扭曲和彎曲。這些感測器通常基於在彈性材料（如彈性複合材料或膠體晶體）中的格子常數變化，造成機械色發生變化。光子晶體的這種特性使其在多種感測應用中表現出色。
三維光子晶體
合成蛋白石是三維光子晶體，通常由自組裝的納米球組成，直徑一般在數百納米的量級。這些納米球的高折射率材料及其與空氣或其他填料的低折射率材料相互作用。另一方面，逆蛋白石結構是指球與球之間的空隙被另一種材料填補，然後去除球體，從而提供更大的自由體積以加速化學物質的擴散。
光子晶體光纖
光子晶體光纖是一種特殊的光學纖維，包含以特定模式分布的空氣孔，圍繞著實心或空心的核心。它們由於具有高靈敏度、內在靈活性和小直徑，使其可以在需要高韌性和可攜性的多種情境中使用。與傳統光學纖維相比，它們具有高度的雙折射性、可調的色散、有限的損耗和長距離的單模傳遞。
二維光柵及平面結構
通過選擇性去除材料形成的具有兩維秩序的一維平面結構，是一種常用的光子晶體結構，在感測中具有重要應用。
法布里-佩羅鏡
法布里-佩羅鏡是一種平面光子晶體，其周期性僅在z方向上保持。在平面一維結構中，包括噴塗過的多孔無機感測器、旋轉塗布的聚合物感測器及自組裝的塊共聚物等是常見的使用材料。
透過這些廣泛的應用及發展，光子晶體感測器不僅提供了高敏感度，更成為了未來環境監測、醫療診斷及安全檢測不可或缺的重要工具。隨著技術的進步，這些微小但強大的感測器將如何改變我們的生活，真正成為環境變化的“顏色預報員”呢？
