乙醇响应光子晶体传感器的制备与性能

(整期优先)网络出版时间:2022-12-18
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乙醇响应光子晶体传感器的制备与性能

龚翊敏

(湖北理工学院,湖北 黄石 435003)

摘要:通过磁组装与紫外固化技术制备了乙醇响应光子晶体传感器。研究了制备过程中磁场强度和交联剂的浓度对传感器的影响。结果表明,所制备的传感器对乙醇的含量有较为满意的效果。

关键词:响应光子晶体;磁组装;乙醇含量;裸眼检测

Preparation and properties of ethanol

response photonic crystal sensors

GONG Yimin

(Hubei Polytechnic University,Huangshi 435003, China)

Abstract:Ethanol-responsive photonic crystal sensors were fabricated by magnetic assembly and UV curing techniques. The effects of magnetic field strength and cross-linking agent concentration on the sensor during the preparation process were investigated. The results show that the prepared sensor has a satisfactory effect on the content of ethanol.

Keywords:responsive photonic crystal;magnetic assembly;ethanol content;naked eye detection


磁响应性光子晶体因其独特的优势(色彩饱和度高,组装容易,体积占比小等),在传感[1],显示[2],防伪[3]等领域展现出广泛的应用前景。

本文结合磁组装与紫外固化技术,利用高分子网络对乙醇的响应,制备了基于Fe3O4@PVP@PAA的光子晶体膜传感器,系统研究了合成过程中交联剂的浓度,磁场强度对光子晶体传感器的影响,展示了对乙醇含量检测的效果。

1 实验

1.1试剂与材料

丙烯酸(AA),乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA),3-(异丁烯酰胺)丙基三甲氧基硅烷,二甲亚砜(DMSO),2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(HMPP),乙醇均购于Sigma-Aldrich。Fe3O4@PVP按照文献方法制备[4]

1.2传感器的制备

玻璃基片的预处理:将2.5 cm*2.5 cm的玻璃基片置于100 ml的食人鱼溶液(V硫酸:V过氧化氢=7: 3)中,在200 ℃下加热1 h。将冷却后玻璃基片分别用清水和乙醇清洗,然后烘干。将烘干后的玻璃基片竖直放入带卡槽的玻璃缸内,用30 mL(含有30 µL的3-(异丁烯酰胺)丙基三甲氧基硅烷)的甲苯溶液浸泡24 h。取出玻璃基片用乙醇清洗干净,烘干留作备用。

取1.5 mL含有Fe3O4@PVP纳米胶体粒子(浓度为10 mg/mL)的乙醇溶液置于2 mL离心管,放入高速离心机进行离心,转速8000 r/min,时间10min。待离心结束,倒掉上清液,向离心管内加入0.36g丙烯酸(AA),0.0099g乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA),0.25g 2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮(HMPP)以及0.6g 二甲亚砜(DMSO),超声混合均匀。

取厚度为50 μm的双面胶垫片(双面胶面积为2.5cm*2.5cm,中间有直径为2cm的圆形空区)粘贴在预处理过的玻璃基片上,取预聚液30μL置于圆形空区中,取另一块未处理过的2.5cm*2.5cm的玻璃基片粘贴于双面胶另一侧,使两片玻璃基片中间有一个用于聚合的充满了预聚液的腔体。施加磁场,紫外固化5min。固化完成后,分别用乙醇和水清洗,直至在水中的颜色不变为止。

2 制备条件的影响

2.1 交联剂浓度的影响

交联剂的含量决定着高分子三维网络的致密度,进而影响凝胶的体积膨胀程度。图1为不同含量的交联剂浓度对所制备的光子晶体传感器的影响,从左到右,交联剂EGDMA的含量依次为1 mol%, 2 mol%, 3 mol%。当交联剂的含量为3 mol%时,所制备的光子晶体传感器呈现红色,随着其含量降低,颜色出现红移,当交联剂的含量为1 mol%时,凝胶在水中膨胀比较大,出现了二级衍射峰。

图1 不同交联剂含量对光子晶体膜的影响

2.2 磁场强度的影响

基于Fe3O4@PVP的光子晶体传感器也受磁场的影响。图2为不同磁场强度对所制备的光子晶体传感器的影响,从左到右,磁场强度分别为300 Gs,500 Gs,700 Gs。Fe3O4@PVP的磁性颗粒,在磁场的作用,沿着磁感线的方向组装,衍射光线,出现艳丽的结构色。不同的磁场强度,其颜色会不一样,聚合之后,其颜色也有差异。

图2 不同磁场强度对光子晶体膜的影响

3 光子晶体传感器的光学性质

光子晶体符合布拉格公式(1),从公式中可知,角度的变化会带来颜色波长的变化。

 (1)

图3为在500 Gs,2 mol/% 的EGDMA的条件下,制备的光子晶体传感器在不同角度下的数码照片,随着角度的增大,其颜色出现蓝移现象,出现非常靓丽的一级衍射的结构色。

图3 不同角度下光子晶体膜的颜色变化

4 传感器对乙醇浓度的检测

聚合物PAA在乙醇和水中的膨胀程度有差异,利用此性质,可以实现对乙醇浓度的检测。如图4所示,将所制备的Fe3O4@PVP@PAA传感器放入不同比例的水乙醇溶液中,平衡之后的数码照片,从左到右乙醇和水的体积比分别为10:0,9:1,8:2,7:3和6:4。不同的乙醇含量下,出现不同颜色的二级衍射光子晶体颜色,实现裸眼检测乙醇含量的目的。

图4 不同含量的乙醇对光子晶体传感器的影响

5 结论

本文将磁性光子晶体组装基元和凝胶结合,制备了能检测乙醇含量的传感器。利用PAA聚合物在乙醇和水中的溶胀度的差异,通过调控交联剂的用量和磁场强度,实现了裸眼检测乙醇含量的目的。

作者简介:龚翊敏(1992-),女,湖北谷城人,湖北理工学院助教。邮箱:邮箱:225011@hbpu.edu.cn。

参考文献

[1]LI Z, YIN Y. Stimuli-Responsive Optical Nanomaterials [J]. Adv Mater, 2019, 31(15): 1807061.

[2]LIU S, WANG C, WANG X, et al. Tunable Janus colloidal photonic crystal supraballs with dual photonic band gaps [J]. J Mater Chem C, 2014, 2(44): 9431-8.

[3]MA H, TANG K, LUO W, et al. Photonic nanorods with magnetic responsiveness regulated by lattice defects [J]. Nanoscale, 2017, 9(9): 3105-13.

[4]LUO W, MA H, MOU F, et al. Steric‐Repulsion‐Based Magnetically Responsive Photonic Crystals [J]. Adv Mater, 2014, 26(7): 1058-64.