一種兼具pH值和離子強度響應(yīng)的光子晶體水凝膠薄膜、其制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光子晶體材料領(lǐng)域，更具體地，涉及一種兼具pH值和離子強度響應(yīng)光子晶體水凝膠薄膜、其制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體是由具有不同折射率的材料在空間交替構(gòu)成的一種周期性結(jié)構(gòu)，其最根本的特征是具有光子禁帶，即落在禁帶中的光被禁止傳播。由于其獨特的光學性質(zhì)，光子晶體被廣泛應(yīng)用于多種光學器件(如調(diào)制器、傳感器、顯示器等)的制備。
[0003]具有pH值和尚子強度響應(yīng)的光子晶體是把單分散的納米粒子分散在具有pH響應(yīng)性聚合物中的光學材料。通過溶液pH值和離子強度的變化，響應(yīng)性材料發(fā)生體積變化，從而改變光子晶體的晶格常數(shù)，使布拉格衍射峰發(fā)生變化。裸眼可以直觀地觀察道發(fā)生的顏色變化，從而可以持續(xù)地監(jiān)測溶液的pH值或離子強度。
[0004]反蛋白結(jié)構(gòu)光子水凝膠晶體中，雖然納米粒子的有序結(jié)構(gòu)不會被丙烯酸單體破壞，但是制備過程繁瑣且周期長(需經(jīng)納米粒子自組裝、單體填充和去除模板等步驟)。非緊密堆積的丙烯酰胺水凝膠雖然可以快速制備，但是其羧基的含量不能精確地進行控制，限制了該材料的可重復性。而且，傳統(tǒng)的二氧化硅和聚苯乙烯納米粒子其有序結(jié)構(gòu)在外界條件(如溫度、溶劑和機械力等)作用下容易被破壞，很難制備出單色、大面積和高質(zhì)量的光子晶體水凝膠薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種兼具pH值和離子強度響應(yīng)的光子晶體水凝膠薄膜、其制備方法及應(yīng)用，其目的在于通過采用Fe3O4納米顆粒和單體配方，在光子晶體薄膜中形成有序結(jié)構(gòu)，由此解決現(xiàn)有的光子晶體水凝膠制備周期長、羧基含量不能精確控制和難以制備出單色、大面積和高質(zhì)量的具有PH值和離子強度響應(yīng)的光子晶體水凝膠薄膜的技術(shù)問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面提供了一種兼具pH值和離子強度響應(yīng)的光子晶體水凝膠薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)光子晶體水凝膠前體的制備:將Fe3O4納米粒子、丙烯酰胺、甲基丙烯酸羥乙酯、甲叉雙丙烯酰胺和光引發(fā)劑均勻分散于有機溶劑中，得到光子晶體水凝膠前體的懸池液；每毫升光子晶體水凝膠前體中含有Fe3O4納米粒子Img?50mg，丙稀酰胺10mg?600mg，甲基丙稀酸輕乙醋1mg?500mg，甲叉雙丙稀酰胺Img?20mg，和光引發(fā)劑0.1mg?Img ；
[0008](2)固化光子晶體水凝膠薄膜的制備:將步驟⑴中光子晶體水凝膠前體的懸濁液鋪成薄膜；加載磁場，使上述薄膜顯色，得到具有結(jié)構(gòu)色的薄膜；照射紫外光固化所述顯色薄膜，從而得到固化的光子晶體水凝膠薄膜；其中，固化的光子晶體水凝膠薄膜的主要成分為聚丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酯；
[0009](3)光子晶體水凝膠薄膜的制備:將步驟(2)中固化的光子晶體水凝膠薄膜浸泡在可溶性碳酸鹽水溶液中，使聚丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酯中的酯基水解為羧基，然后浸泡在去離子水中，即得所需的光子晶體水凝膠薄膜；其中，F(xiàn)e3O4納米粒子在薄膜中的濃度為 lmg/mL ?50mg/mLo
[0010]優(yōu)選地，F(xiàn)e3O4納米粒子在薄膜中的濃度優(yōu)選為10mg/mL?30mg/mL，更優(yōu)選為20mg/mL ?30mg/mLo
[0011]優(yōu)選地，在步驟(I)中有機溶劑選自甲醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇、甘油、丙酮中一種或多種；更優(yōu)選為乙二醇或甘油。
[0012]優(yōu)選地，在步驟(I)中，所述Fe3O4納米粒子按照如下方法制備:將二茂鐵和雙氧水溶解在丙酮中，使得所述溶液中二茂鐵濃度在0.001mg/mL?0.05mg/mL之間，雙氧水濃度在0.01mg/mL?0.lmg/mL之間；在100°C?500°C下反應(yīng)10小時?80小時，反應(yīng)完全后，自然冷卻至室溫，分離固體，清洗后得到所述Fe3O4納米粒子。
[0013]優(yōu)選地，在步驟(2)中，將步驟(I)中的懸濁液鋪成150?300 μ m厚的薄膜，磁場的強度為300?2000高斯。
[0014]優(yōu)選地，在步驟(3)中，可溶性碳酸鹽水溶液的濃度值為0.0lg/mL?0.lg/mL ;薄膜在碳酸鈉水溶液中的浸泡時間為2h ；
[0015]優(yōu)選地，可溶性碳酸鹽選自碳酸鈉，碳酸鉀等。
[0016]本發(fā)明的另一方面提供了一種兼具pH值和離子強度響應(yīng)的光子晶體水凝膠薄膜，該薄膜包括Fe3O4納米粒子和聚丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酸水凝膠；所述Fe 304納米粒子均勻分散于聚丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酸水凝膠中，呈一維鏈狀排列，納米粒子在薄膜中的濃度為lmg/mL?50mg/mL。
[0017]優(yōu)選地，F(xiàn)e3O4納米粒子在薄膜中的濃度為10mg/mL?30mg/mL，更優(yōu)選為20mg/mL ?30mg/mLo
[0018]優(yōu)選地，所述薄膜的pH響應(yīng)光譜范圍為471nm至673nm，離子強度響應(yīng)光譜范圍為773nm 至 552nm。
[0019]本發(fā)明的另一方面提供了所述的光子晶體水凝膠薄膜的應(yīng)用，其應(yīng)用于裸眼檢測。
[0020]優(yōu)選地，所述光子晶體水凝膠薄膜應(yīng)用，其所述裸眼檢測為pH值和/或離子強度的雙重檢測。
[0021]優(yōu)選地，所述光子晶體水凝膠薄膜應(yīng)用于生物/化學傳感器、各類檢測器以及吸附指示劑中。
[0022]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0023](I)本發(fā)明提供的光子晶體水凝膠薄膜含有磁性納米粒子，其納米粒子在磁場作用下能夠快速形成一維排列，之后通過紫外光聚合單體，使其有序結(jié)構(gòu)固定；然后在可溶性碳酸鹽水溶液作用下使水凝膠中的酯基水解為羧基，從而得到兼具PH值和離子強度雙重響應(yīng)性能的光子晶體水凝膠薄膜。
[0024](2)本發(fā)明提供的光子晶體水凝膠的制備方法，針對納米粒子的有序結(jié)構(gòu)在外界條件下易被破壞的難題，通過將一定濃度的Fe3O4納米粒子和兩種單體以及引發(fā)劑均勻混合使其形成懸濁液，先通過磁場使納米粒子有序排列，再通過光使其聚合，所得到的薄膜中納米粒子有序排列，呈現(xiàn)出單色。同時，本發(fā)明將聚合后的薄膜浸在可溶性碳酸鹽水溶液中使其水解，從而精確的控制水凝膠中羧基的含量，增加可重復性，同時使薄膜在不同PH值或不同離子強度下，呈現(xiàn)出裸眼可見的顏色變化，真正實現(xiàn)裸眼檢測。
[0025](3)本發(fā)明提供的具有pH和離子強度響應(yīng)的光子晶體水凝膠薄膜的制備方法，在外加磁場的影響下，納米粒子迅速形成一維排列，使得制備時間短，整個過程僅需25分鐘左右，而且操作簡單，可重復強，便于大規(guī)模制備。
[0026](4)通過優(yōu)化納米粒子在含有兩種聚合物的光子晶體水凝膠薄膜中的濃度值、各物質(zhì)的值，從而更精確的調(diào)控水凝膠中羧基的含量，并獲得制備方法相對簡單、靈敏性更好的光子晶體水凝膠薄膜材料。
[0027](5)本發(fā)明提供的光子晶體水凝膠薄膜的顏色純凈，不含雜質(zhì)色，在pH值或離子強度刺激下有明顯的顏色變化，適宜于裸眼檢測。
【附圖說明】
[0028]圖1是實施例1中光子晶體水凝膠薄膜在不同pH的磷酸鹽緩沖溶液中的反射光譜圖；
[0029]圖2是實施例1中光子晶體水凝膠薄膜在不同濃度的NaCl水溶液的反射光譜圖。
【具體實施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031]本發(fā)明提供的光子晶體水凝膠薄膜，包括Fe3O4納米粒子和水凝膠，該水凝膠為聚丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酸水凝膠；所述Fe3O4納米粒子均勻分散于聚丙烯酰胺-甲基丙稀酸輕乙酸水凝膠中，納米粒子在薄膜中的濃度為lmg/mL?50mg/mL，所述Fe3O4納米粒子在磁場下呈一維鏈狀排列。
[0032]本發(fā)明提供的光子晶體水凝膠薄膜，其具有單一的顏色，在不同pH值的緩沖溶液或不同濃度的NaCl水溶液中，反射光波長位移大，呈現(xiàn)出裸眼可見的顏色變化，便于裸眼檢測。所述光子晶體水凝膠薄膜，可通過聚丙烯酰胺-甲基丙烯酸羥乙酯在可溶性碳酸鹽水溶液中水解的方法，精確控制水凝膠中羧基的含量。
[0033]本發(fā)明提供的光子晶體水凝膠薄膜，其制備方法，包括以下步驟:
[0034](I)光子晶體水凝膠前體的制備:將Fe3O4納米粒子、丙烯酰胺、甲基丙烯酸羥乙酯、甲叉雙丙烯酰胺和光引發(fā)劑均勻分散于有機溶液中，得到光子晶體水凝膠前體的懸濁液，使得每毫升光子晶體水凝膠前體中Fe3O4納米粒子Img?50mg，優(yōu)選1mg?30mg，更優(yōu)選1mg?20mg，丙稀酰胺10mg?600mg，優(yōu)選200mg?400mg，甲基丙稀酸輕乙醋1mg?500mg，優(yōu)選20mg?40mg，更優(yōu)選30mg?40mg，甲叉雙丙稀酰胺Img?20mg，和光引發(fā)劑0.1mg?lmg。所述的光引發(fā)劑為本領(lǐng)域中常用光引發(fā)劑，優(yōu)選為2，2-二乙氧基苯乙酮。所述有機溶劑優(yōu)選為甲醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇、甘油、丙酮等常規(guī)分散溶劑，更優(yōu)選為乙二醇或甘油，其作用是更有效地防止Fe3O4納米粒子在磁場下發(fā)生分離。
[0035]所述Fe3O4納米粒子優(yōu)選按照如下方法制備:將二茂鐵和雙氧水溶解在丙酮中，使得所述溶液中二