乙醇响应光子晶体传感器的制备与性能

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.