本發(fā)明涉及化學(xué)傳感，特別是涉及一種基于手機輔助的識別有機溶劑的比色傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、快速且精準(zhǔn)的化學(xué)溶劑監(jiān)測與識別需求呈現(xiàn)出迅猛增長的態(tài)勢，有力地促進了化學(xué)傳感器技術(shù)的進步。其中，鑒于有機溶劑對于某些極難被溶解的物質(zhì)(油脂、蠟、橡膠、燃料等)具備良好的溶解度，故而其在工業(yè)清洗、涂料領(lǐng)域以及醫(yī)藥萃取劑等方面常常得以廣泛運用。正因如此，于試劑制備和提取的進程中，針對此類溶劑展開必要的校準(zhǔn)與表征工作顯得格外關(guān)鍵。當(dāng)下，已通過化學(xué)方法、氣相色譜法、紅外光譜法、太赫茲時域光譜法等手段對有機溶劑實施鑒別與分類。然而，這些方法存在諸多顯著的局限性，不但需要眾多的操作步驟，而且還牽涉到昂貴的設(shè)備、笨重的儀器、操作與維護的困難，尤為重要的是，上述檢測過程必須由專業(yè)人員在特定的環(huán)境中才可以使用。此外，有機溶劑常常屬于一些易于揮發(fā)的危險溶液，在繁雜的操作流程中不可避免地會給用戶帶來傷害。上述這些因素對它們在有效檢測中的應(yīng)用形成了限制。直面上述種種問題，研制一種具備識別功能的便攜式傳感器便顯得尤為重要。為了能夠便捷高效且精準(zhǔn)地進行信號傳遞，當(dāng)下需要一種制備流程簡便，并且對于不同種類和濃度的有機溶劑有著更為直觀的顏色反應(yīng)的化學(xué)類比色傳感器。該技術(shù)還擁有借助手機攝像頭對有機溶劑進行實時監(jiān)測的能力。便捷小巧的比色化學(xué)傳感器滿足了快速且便利的檢測需求，能夠在實驗過程中對有機溶劑進行安全標(biāo)定。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于提供一種對有機溶劑敏感的基于f-p三層納米堆疊結(jié)構(gòu)的可擴展性化學(xué)比色傳感器，解決傳統(tǒng)測量的危險性和復(fù)雜性，可以更直觀的使用顏色反應(yīng)出不同有機溶劑(如酒精、四氫呋喃、丙酮、正己烷、正庚烷等可溶解pdms的溶劑)的區(qū)別。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于f-p三層堆疊結(jié)構(gòu)的反射結(jié)構(gòu)色化學(xué)傳感器，其特征在于，包括自上而下依次層疊的選擇層、介電層和反射層的微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可附著在任意平面基底上；反射層貼合平面基底。

3、進一步地，反射層的使用材料包括但不限于金屬銀層，厚度設(shè)置在50nm及以上如100nm，保證可見波長的光被反射。進一步地，在平面基底(如玻璃、硅片等任意平面材料，或者可彎曲柔性樣品等)上，利用磁控濺射法將納米厚度的材料附著在選擇好的基底上。

4、進一步地，介電層的材料選自聚二甲基硅氧烷(pdms)的透明材料，厚度設(shè)置在50nm-500nm之間，保證可見波長的光被折射和反射。

5、進一步地，選擇層的材料選自鍺銻碲合金(gst)、鈧銻碲合金(sst)材料，厚度設(shè)置在3nm-15nm之間，保證可見波長的光被折射和反射。

6、制備上述基于f-p微結(jié)構(gòu)的化學(xué)比色傳感器的方法，包括以下步驟：

7、步驟1：使用丙酮、酒精、去離子水清洗平面基底，并將其吹干；

8、步驟2：使用磁控濺射儀(功率為40w，真空度為5×10-4pa，沉淀速率為0.45nm/s)，在平面基底上沉淀反射層，如銀層。

9、步驟3：將介電層對應(yīng)的材料聚二甲基硅氧烷進行a膠和b膠的混合，體積比為10：1；

10、步驟4：將上述混合膠與己烷溶劑進行溶解稀釋，優(yōu)選聚二甲基硅氧烷對應(yīng)的質(zhì)量百分含量為3.2wt％；

11、步驟5：待充分溶解后，使用勻膠機將溶液旋涂在沉淀了介電層的平面基底上；優(yōu)選旋速為2500轉(zhuǎn)/分鐘，時間為1分鐘；

12、步驟6：旋涂完成后，將其放入干燥箱內(nèi)進行60℃、4小時凝固；

13、步驟7：使用磁控濺射儀(功率為100w，真空度為5×10-4pa，沉淀速率為0.2nm/s)，在介電層上沉淀選擇層，即可。

14、對步驟7所得到的結(jié)構(gòu)進行有機溶劑浸泡實驗，將其結(jié)果進行分析比對。

15、基于f-p三層堆疊結(jié)構(gòu)的反射結(jié)構(gòu)色化學(xué)傳感器的應(yīng)用，用于檢測不同的溶劑，更直觀的使用顏色反應(yīng)區(qū)分出不同有機溶劑(如酒精、四氫呋喃、丙酮、正己烷、正庚烷等可溶解pdms的溶劑)。或者區(qū)分或測定可溶解pdms的溶劑與不溶解pdms的溶劑混合時，對應(yīng)的可溶解pdms的溶劑的大小。

16、本發(fā)明，反射層和選擇層采用鍍膜材料，無毒且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。介電層所采用的透明pdms材料，具有對有機溶劑敏感的特性，會隨著有機溶劑的溶解速率在相同時間內(nèi)產(chǎn)生不同的厚度變化，進而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)色的變化；

17、1、本發(fā)明使用的透明介電層的制備過程簡單且價格便宜，可以通過旋涂法中的濃度和旋速來進行厚度的調(diào)試。其次上下層的薄膜結(jié)構(gòu)都是可以根據(jù)需要進行厚度調(diào)試的。因此該結(jié)構(gòu)具備很強的高擴展性，我們可以得到想要的各種結(jié)構(gòu)色，并對有機溶劑進行識別工作。

18、2、本發(fā)明采用的變色原理是根據(jù)介電層的厚度變化產(chǎn)生的，因此只要增加浸泡時間，就不會像傳統(tǒng)的傳感器一樣出現(xiàn)最小量程受限的問題，可以區(qū)分溶解速率相差很小的有機溶劑的種類。

19、3、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以依附在任意平行平面上，因此可以根據(jù)需要制備成與ph試紙類似的可彎曲柔性樣品，方便進行室外測量。

20、4、為了確保識別的準(zhǔn)確程度，避免人眼在觀測時出現(xiàn)誤差。本發(fā)明依靠智能手機的拍照識色功能對產(chǎn)生顏色變化的傳感器進行了顏色分析，并建立了小型數(shù)據(jù)庫。在對浸泡后的傳感器進行識色后，與數(shù)據(jù)庫進行對比，得到有機溶劑的具體種類。

21、本發(fā)明解決了傳統(tǒng)傳感器的最小量程限制，并將更直接明了的顏色信號作為傳感器的結(jié)果表達(dá)方式。解決了傳統(tǒng)測量過程中各種復(fù)雜流程和使用不慎有機溶劑危害人體健康的問題。三種平行薄膜堆疊結(jié)構(gòu)，不僅避免了微觀結(jié)構(gòu)難制備的問題，而且只有厚度決定了顏色的種類，調(diào)控結(jié)構(gòu)色也會較為簡單方便。

技術(shù)特征：

1.一種基于f-p三層堆疊結(jié)構(gòu)的反射結(jié)構(gòu)色化學(xué)傳感器，其特征在于，包括自上而下依次層疊的選擇層、介電層和反射層的微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)附著在任意平面基底上；反射層貼合平面基底。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于f-p三層堆疊結(jié)構(gòu)的反射結(jié)構(gòu)色化學(xué)傳感器，其特征在于，反射層的使用材料包括但不限于金屬銀層，厚度設(shè)置在50nm及以上如100nm，保證可見波長的光被反射。

3.按照權(quán)利要求1所述的一種基于f-p三層堆疊結(jié)構(gòu)的反射結(jié)構(gòu)色化學(xué)傳感器，其特征在于，介電層的材料選自聚二甲基硅氧烷(pdms)的透明材料，厚度設(shè)置在50nm-500nm，保證可見波長的光被折射和反射。

4.按照權(quán)利要求1所述的一種基于f-p三層堆疊結(jié)構(gòu)的反射結(jié)構(gòu)色化學(xué)傳感器，其特征在于，選擇層的材料選自鍺銻碲合金(gst)、鈧銻碲合金(sst)材料，厚度設(shè)置在3nm-15nm之間，保證可見波長的光被折射和反射。

5.制備權(quán)利要求1-4任一項所述的一種基于f-p三層堆疊結(jié)構(gòu)的反射結(jié)構(gòu)色化學(xué)傳感器的方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.權(quán)利要求1-4任一項所述的一種基于f-p三層堆疊結(jié)構(gòu)的反射結(jié)構(gòu)色化學(xué)傳感器的應(yīng)用，用于檢測不同的可溶解pdms的溶劑。

7.按照權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于，更直觀的使用顏色反應(yīng)區(qū)分出不同有機溶劑，包括酒精、四氫呋喃、丙酮、正己烷、正庚烷可溶解pdms的溶劑)。

8.按照權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于，區(qū)分或測定可溶解pdms的溶劑與不溶解pdms的溶劑混合時，對應(yīng)的可溶解pdms的溶劑的大小。

9.按照權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于，使用手機識色功能測量的有機溶劑種類和濃度ed圖，顏色是由r、g、b三刺激值決定，為了更好的對比顏色差別，將rgb值轉(zhuǎn)換成單一的ed值進行比較，其中ed值的轉(zhuǎn)換公式如下所示：

技術(shù)總結(jié)
一種基于手機輔助的識別有機溶劑的比色傳感器及其制備方法，涉及化學(xué)傳感技術(shù)領(lǐng)域?；贔?P堆疊結(jié)構(gòu)的化學(xué)比色傳感器包括：自上而下制備的選擇層、介電層和反射層的微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最底層可以是任意平面材料。其中，借助智能手機進行傳感器上顏色的采集和分析工作。本發(fā)明能夠在沒有大型精密設(shè)備的室外進行有機溶劑種類的識別，還具有傳統(tǒng)傳感器不具備的最小量程不受限的優(yōu)點。

技術(shù)研發(fā)人員：劉富榮,劉銘,吳雨虹
受保護的技術(shù)使用者：北京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17