CN102269693B - 光子晶体湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光子晶体湿度传感器，包括：基质，所述基质为聚丙烯酰胺凝胶；固化在所述基质中的光子晶体材料，所述光子晶体材料为超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。本发明还提供了一种光子晶体湿度传感器的制备方法。本发明提供的光子晶体湿度传感器中，聚丙烯酰胺凝胶具有强烈的吸水膨胀性能，其在不同相对湿度下对水的吸收率不同，当环境相对湿度发生变化时，聚丙烯酰胺凝胶的吸水率随之发生变化，导致聚丙烯酰胺的膨胀率发生变化，从而使固化于其中的光子晶体材料的光子禁带带隙发生改变，最终使得光子晶体湿度传感器随湿度变化呈现不同的颜色。

Description

光子晶体湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于湿度传感器技术领域，尤其涉及一种光子晶体湿度传感器及其制备方法。

背景技术

湿度传感器是一种能够感受气体中水蒸气含量并可转换成可用输出信号的传感器，在农业生产、天气预报、环境保护、食物储存和文物保护等方面具有广泛应用。

现有技术公开了多种湿度传感器，主要分为电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器两类。其中，电阻式传感器是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，传感器的电阻率和电阻值发生变化，从而测量湿度；电容式湿度传感器是用高分子薄膜电容制成，当环境湿度发生改变时，电容式湿度传感器的介电常数发生变化，使其电容量发生变化，从而测量湿度。美国化学会志(J.AM.CHEM.SOC.2008年，130卷，5036～5037页)公开了一种掺杂了氯化锂的二氧化钛纳米纤维制备的电阻式湿度传感器，该湿度传感器的电阻随着环境相对湿度的改变会发生变化，且其电阻变化对湿度变化具有相当短的响应时间：小于3s，因此，该湿度传感器具有检测速度快、信号高度稳定等优点。但是，该湿度传感器需要与复杂的外界电子设备相连接才能够使用。

光子晶体是一种具有光子带隙结构的周期性电介质材料，可以对光的传播方向进行有效调控，具有类似于电子半导体的性质。可调制光子晶体材料是一类通过调节自身光子带隙结构对外场刺激作出响应的光子晶体材料，又叫做功能性光子晶体材料或响应性光子晶体材料。响应性光子晶体材料在温度传感器、湿度传感器、压力传感器、生物监测、化学试剂监测、指纹识别、彩色显示器、彩色印刷、军事伪装等领域具有广泛的应用。

英国皇家化学会材料化学杂志(J.Mater.Chem.，2008年，18卷，1116～1122页)报道了一种利用单分散的聚苯乙烯甲基丙烯酸甲酯丙烯酸共聚纳米球构筑得到光子晶体模板，然后复合丙烯酰胺水凝胶的方法制备得到的光子晶体湿度传感器。随着环境相对湿度的变化，该光子晶体湿度传感器自身颜色也会发生变化，其颜色变化可以覆盖整个可见光区域，并且不需要任何外界设备以及能量供给，就能实现对环境湿度快速、肉眼可见的检测。但是，这种光子晶体湿度传感器需要首先制备聚苯乙烯甲基丙烯酸甲酯丙烯酸共聚纳米球构筑的光子晶体模板，不仅方法复杂、步骤繁琐，而且难以制备大尺寸的光子晶体湿度传感器。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种光子晶体湿度传感器及其制备方法，本发明提供的制备方法快速、简便，得到的光子晶体湿度传感器稳定性较好，可实现快速、肉眼可见的检测。

本发明提供了一种光子晶体湿度传感器，包括：

基质，所述基质为聚丙烯酰胺凝胶；

固化在所述基质中的光子晶体材料，所述光子晶体材料为超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。

优选的，所述光子晶体材料与所述基质的质量比为(3～5)∶(105～160)。

优选的，所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的粒径为150nm～160nm。

与现有技术相比，本发明提供的光子晶体湿度传感器以聚丙烯酰胺凝胶为基质，以超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子为光子晶体材料，并将所述光子晶体材料固化于所述基质中。本发明提供的光子晶体湿度传感器中，聚丙烯酰胺凝胶具有强烈的吸水膨胀性能，其在不同相对湿度下对水的吸收率不同，当环境相对湿度发生变化时，聚丙烯酰胺凝胶的吸水率随之发生变化，导致聚丙烯酰胺的膨胀率发生变化，从而使固化于其中的光子晶体材料的光子禁带带隙发生改变，最终使得光子晶体湿度传感器随湿度变化呈现不同的颜色。本发明提供的光子晶体湿度传感器无需外界电子设备支持及能量供给，即可实现快速、肉眼可见的对湿度的检测，使用方法简单且方便。

本发明还提供了一种光子晶体湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

a)将丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐和超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在乙二醇中混合均匀，得到混合溶液；

b)向所述步骤a)得到的混合溶液中加入N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，在外加均匀磁场的作用下反应得到光子晶体湿度传感器。

优选的，所述步骤a)具体包括：

a1)将丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和过硫酸盐在乙二醇中混合均匀，得到第一溶液；

a2)向所述步骤a1)得到的第一溶液中加入超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，超声分散后得到混合溶液。

优选的，所述过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾。

优选的，所述丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐和所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的质量比为(100～150)∶(5～10)∶(1～3)∶(3～5)。

优选的，所述均匀磁场的强度为0.1T～0.2T。

优选的，所述反应的时间为20s～50s。

优选的，所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子按照以下方法制备：

将二茂铁分散于丙酮中，加入过氧化氢水溶液，密封、180℃～200℃下反应，得到超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。

本发明以丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐和超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子为原料，在N，N，N′，N′-四甲基乙二胺的催化作用下，丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐反应生成聚丙烯酰胺凝胶，同时，超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在外加均匀磁场的作用下自组装成光子晶体材料并固化于所述聚丙烯酰胺凝胶中，得到能够随环境相对湿度变化而发生颜色变化的光子晶体湿度传感器。本发明提供的制备方法无需模板，简单、快速。本发明以过硫酸盐为引发剂引发丙烯酰胺固化，无需使用紫外线进行固化，因此制备过程较为安全，适于工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例制备的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的X射线衍射图谱；

图2为本发明实施例制备的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的拉曼光谱图；

图3为本发明实施例提供的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的红外光谱图；

图4为本发明实施例提供的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的磁滞回线；

图5为本发明实施例提供的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子放大5000倍的透射电镜照片；

图6为本发明实施例提供的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子放大10000倍的透射电镜照片；

图7为本发明实施例提供的光子晶体湿度传感器在不同相对湿度下的颜色；

图8为本发明实施例提供的光子晶体湿度传感器在不同相对湿度下的衍射波长谱图；

图9为本发明实施例提供的光子晶体湿度传感器的循环次数与衍射波长的关系图。

具体实施方式

本发明提供了一种光子晶体湿度传感器，包括：

基质，所述基质为聚丙烯酰胺凝胶；

固化在所述基质中的光子晶体材料，所述光子晶体材料为超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。

本发明提供的光子晶体湿度传感器包括基质和固化在所述基质中的光子晶体材料，所述光子晶体湿度传感器无需外界电子设备支持及能量供给，其颜色可随湿度变化而变化，能够实现对湿度的快速、肉眼可见的检测，可用于农业生产、物品储存、气象预报、文物保护等领域。

在本发明中，所述基质为聚丙烯酰胺凝胶，即为丙烯酰胺单体和N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)交联剂在引发剂，如过硫酸盐作用下发生聚合、交联反应得到的凝胶。本发明对所述聚丙烯酰胺凝胶的孔径没有特殊限制，可以根据光子晶体湿度传感器的使用环境进行孔径的调整。

在本发明中，所述光子晶体材料为超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在外加磁场的诱导下可自组装成光子晶体材料，具有光子晶体的性质。本发明对所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的粒径没有特殊限制，优选为150nm～160nm。

在本发明中，所述光子晶体材料与所述基质的质量比优选为(3～5)∶(105～160)，更优选为(3～5)∶(120～150)。

在本发明提供的光子晶体湿度传感器中，所述光子晶体材料固化于所述基质中，具有一定的光子禁带带隙，可衍射可见光。所述基质为聚丙烯酰胺凝胶，所述聚丙烯酰胺凝胶具有强烈的吸水膨胀性，其在不同相对湿度下对水的吸收率不同，当环境相对湿度发生变化时，聚丙烯酰胺凝胶的吸水率随之发生变化，导致聚丙烯酰胺的膨胀率发生变化，从而使固化于其中的光子晶体材料的光子禁带带隙发生改变，最终使得光子晶体湿度传感器随湿度变化呈现不同的颜色，该种颜色变化是肉眼可分辨的。本发明提供的光子晶体湿度传感器无需外界设备支持及能量供给，即可实现快速、肉眼可见的对湿度的检测，使用方法简单且方便。

本发明还提供了一种光子晶体湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

a)将丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐和超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在乙二醇中混合均匀，得到混合溶液；

b)向所述步骤a)得到的混合溶液中加入N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，在外加均匀磁场的作用下反应得到光子晶体湿度传感器。

本发明以丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐和超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子为原料，在N，N，N′，N′-四甲基乙二胺的催化作用下，丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐反应生成聚丙烯酰胺凝胶，同时，超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在外加均匀磁场的作用下自组装成光子晶体材料并固化于所述聚丙烯酰胺凝胶中，得到上述技术方案所述的光子晶体湿度传感器。

本发明首先将丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐和超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在乙二醇中混合均匀，得到混合溶液，具体包括以下步骤：

a1)将丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和过硫酸盐在乙二醇中混合均匀，得到第一溶液；

a2)向所述步骤a1)得到的第一溶液中加入超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，超声分散后得到混合溶液。

将丙烯酰胺单体、将丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和过硫酸盐在乙二醇中混合，采用机械搅拌的方式混合均匀后得到第一溶液；

向所述第一溶液中加入超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，超声分散使超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子均匀分散于所述第一溶液中，得到混合溶液。

在本发明中，所述过硫酸盐优选为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾，优选为过硫酸铵。

所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子优选按照以下方法制备：

将二茂铁分散于丙酮中，加入过氧化氢水溶液，密封、180℃～200℃下反应，得到超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。

首先将二茂铁超声分散于丙酮中，逐滴滴加过氧化氢水溶液后进行搅拌，得到均匀的混合溶液；

将所述混合溶液密封，置于180℃～300℃下反应，得到超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。

所述丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和过硫酸盐的质量比优选为(100～150)∶(5～10)∶(1～3)，更优选为(110～140)∶(6～8)∶(1.5～2.5)；丙烯酰胺单体与所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的质量比优选为(100～150)∶(3～5)，更优选为(110～140)∶(3.5～4.5)。

得到混合溶液后，将所述混合溶液置于外加均匀磁场中，然后加入催化剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，反应后得到光子晶体湿度传感器。在进行反应的过程中，丙烯酰胺单体和交联剂N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)在催化剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺和引发剂过硫酸盐的作用下发生聚合、交联反应，得到聚丙烯酰胺凝胶；同时，超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在外加均匀磁场的作用下自组装成为光子晶体材料并固化于所述聚丙烯酰胺凝胶中，得到光子晶体湿度传感器。

在本发明中，所述外加均匀磁场的强度优选为0.1T～0.2T，更优选为0.13T～0.18T。

本发明对所述催化剂N，N，N′，N′-四甲基乙二胺的用量没有特殊限制，其与超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的体积质量比优选为0.1mL～0.3mL∶0.03g～0.05g，更优选为0.15mL～0.25mL∶0.035g～0.045g。

在本发明中，所述反应的温度优选为室温，所述反应的时间优选为20s～50s，更优选为30s。

为了得到形状固定的光子晶体湿度传感器，本发明优选将所述混合溶液装入矩形或其他形状的模具中，得到具有特定的形状的光子晶体湿度传感器，如将所述混合溶液装入烧杯中，反应后可得到圆柱形光体晶体湿度传感器。

为了提高所述光子晶体湿度传感器对湿度的敏感性，得到光子晶体湿度传感器后，使用前优选用乙二醇对其进行清洗两次，然后用氮气吹干，以便去除其表面残留的的原料等物质，使聚丙烯酰胺凝胶更充分地接触周围环境中的水蒸气，具有更好的灵敏度。

得到光子晶体湿度传感器后，将所述光子晶体湿度传感器放入密闭的、具有不同的稳定相对湿度值的环境下进行光子晶体湿度传感器颜色的观察，实验表明，本发明提供的光子晶体湿度传感器对湿度具有快速的响应，且其视觉可读性好，无需借助外界设备即可实现检测，而且具有良好的重复检测能力。

本发明以丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐和超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子为原料，在N，N，N′，N′-四甲基乙二胺的催化作用下，丙烯酰胺单体、N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)、过硫酸盐反应生成聚丙烯酰胺凝胶，同时，超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在外加均匀磁场的作用下自组装成光子晶体材料并固化于所述聚丙烯酰胺凝胶中，得到颜色能够随湿度变化而发生改变的光子晶体湿度传感器。本发明提供的制备方法无需模板，简单、快速。本发明以过硫酸盐为引发剂引发丙烯酰胺固化，无需使用紫外线进行固化，因此制备过程较为安全，适于工业化生产。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的光子晶体湿度传感器及其制备方法进行详细描述。

实施例1

将0.3g二茂铁溶解于30mL丙酮中，超声分散后逐滴加入1.5mL质量浓度为30％的过氧化氢水溶液，1000r/min的速度磁力搅拌30min后，得到混合溶液；将所述混合容易转移至40mL高压釜中，密封加热至200℃，保温72h，冷却至室温，得到黑色粉末；将所述黑色粉末分别用丙酮和乙醇清洗3次，在40℃真空烘箱中干燥6h，得到超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子。

对所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子进行X射线衍射分析，结果参见图1，图1为本发明实施例制备的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的X射线衍射图谱，由图1可知，其衍射峰与四氧化三铁的衍射峰相似，说明得到的产物为四氧化三铁。

对所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子进行拉曼光谱分析，结果参见图2，图2为本发明实施例制备的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的拉曼光谱图，由图2可知，1585cm^-1和1378cm^-1处有sp2杂化的碳的峰，说明得到的产物表面包覆有碳。

对所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子进行红外光谱分析，结果参见图3，图3为本发明实施例提供的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的红外光谱图，由图3可知，3400cm^-1处和1675cm^-1处的峰表明得到的产物表面存在羧基。

测量所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的磁滞回线，结果参见图4，图4为本发明实施例提供的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子的磁滞回线，由图4分析可知，得到的产物的饱和磁场强度为39.5emu/g，在室温下没有矫顽力，呈现超顺磁性。

对所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子进行电镜扫描，结果参见图5和图6，图5为本发明实施例提供的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子放大5000倍的透射电镜照片，图6为本发明实施例提供的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子放大5000倍的透射电镜照片，由图5和图6可知，得到的产物为具有核壳结构的均匀球体，直径为150nm，内部核为多个粒径小于20nm的纳米粒子组成的团簇。

将所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子分散于乙二醇溶液中后对自然光进行衍射，并未出现衍射现象。

将所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子分散于乙二醇溶液中，在磁场的作用下对自然光进行衍射，结果表明所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶体纳米粒子可强烈衍射可见光中的绿光。

实施例2

将1.5g丙烯酰胺单体、0.05g N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和0.02g过硫酸铵溶解于15mL乙二醇中，机械搅拌均匀后，加入0.04g实施例1制备的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，在0℃冰水浴中超声10min，得到混合溶液；

将1.5mL所述混合溶液放入5mL烧杯中，在所述烧杯下方施加0.1T的均匀磁场，再向所述容器中加入20μL N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，反应30秒，得到光子晶体湿度传感器。

将所述光子晶体湿度传感器放入密闭的、具有不同的稳定相对湿度值的环境下进行光子晶体湿度传感器颜色的观察，结果参见图7和图8，图7为本发明实施例提供的光子晶体湿度传感器在不同相对湿度下的颜色，图8为本发明实施例提供的光子晶体湿度传感器在不同相对湿度下的衍射波长谱图，其中，71为光子晶体湿度传感器在相对湿度为11％时的衍射波长谱图，72为光子晶体湿度传感器在相对湿度为33％时的衍射波长谱图，73为光子晶体湿度传感器在相对湿度为54％时的衍射波长谱图，74为光子晶体湿度传感器在相对湿度为75％时的衍射波长谱图，75为光子晶体湿度传感器在相对湿度为97％时的衍射波长谱图。由图7和图8可知，当环境相对湿度为11％时，光子晶体湿度传感器的衍射波长为452nm，表现为深蓝色；当环境相对湿度为33％时，光子晶体湿度传感器的衍射波长为496nm，表现为浅蓝色；当环境相对湿度为54％时，光子晶体湿度传感器的衍射波长为515nm，表现为浅绿色；当环境相对湿度为75％时，光子晶体湿度传感器的衍射波长为551nm，表现为黄绿色；当环境相对湿度为97％时，光子晶体湿度传感器的衍射波长为605nm，表现为红色。由此可见，本发明提供的光子晶体湿度传感器可随环境相对湿度变化而发生颜色变化，从而实现对相对湿度快速、视觉可读性好的检测。

将所述光子晶体湿度传感器循环放入密闭的、具有不同的稳定相对湿度值的环境下进行光子晶体湿度传感器颜色的观察，结果参见图9，图9为本发明实施例提供的光子晶体湿度传感器的循环次数与衍射波长的关系图。由图9可知，本发明提供的光子晶体湿度传感器可重复使用，具有良好的重复检测能力。

实施例3

将1.0g丙烯酰胺单体、0.08g N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和0.03g过硫酸铵溶解于15mL乙二醇中，机械搅拌均匀后，加入0.03g实施例1制备的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，在0℃冰水浴中超声10min，得到混合溶液；

将1.5mL所述混合溶液放入5mL烧杯中，在所述烧杯的下方施加0.15T的均匀磁场，再向所述容器中加入20μL N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，反应30秒，得到光子晶体湿度传感器。

将所述光子晶体湿度传感器放入密闭的、具有不同的稳定相对湿度值的环境下进行光子晶体湿度传感器颜色的观察，结果表明，本发明提供的光子晶体湿度传感器可随环境相对湿度变化而发生颜色变化，从而实现对相对湿度快速、视觉可读性好的检测。

将所述光子晶体湿度传感器循环放入密闭的、具有不同的稳定相对湿度值的环境下进行光子晶体湿度传感器颜色的观察，结果表明，本发明提供的光子晶体湿度传感器可重复使用，具有良好的重复检测能力。

实施例4

将1.3g丙烯酰胺单体、0.1g N，N′-亚甲基双(丙烯酰胺)和0.01g过硫酸铵溶解于15mL乙二醇中，机械搅拌均匀后，加入0.05g实施例制备的超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，在0℃冰水浴中超声10min，得到混合溶液；

将1.5mL所述混合溶液放入5mL烧杯中，在所述烧杯的下方施加0.15T的均匀磁场，再向所述容器中加入20μL N，N，N′，N′-四甲基乙二胺，反应30秒，得到光子晶体湿度传感器。

将所述光子晶体湿度传感器放入密闭的、具有不同的稳定相对湿度值的环境下进行光子晶体湿度传感器颜色的观察，结果表明，本发明提供的光子晶体湿度传感器可随环境相对湿度变化而发生颜色变化，从而实现对相对湿度快速、视觉可读性好的检测。

将所述光子晶体湿度传感器循环放入密闭的、具有不同的稳定相对湿度值的环境下进行光子晶体湿度传感器颜色的观察，结果表明，本发明提供的光子晶体湿度传感器可重复使用，具有良好的重复检测能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光子晶体湿度传感器，包括：

基质，所述基质为聚丙烯酰胺凝胶；

固化在所述基质中的光子晶体材料，所述光子晶体材料为超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子；

所述光子晶体材料与所述基质的质量比为（3～5）:（105～160）。

2.根据权利要求1所述的光子晶体湿度传感器，其特征在于，所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的粒径为150nm～160nm。

3.一种光子晶体湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

a）将丙烯酰胺单体、N,N′-亚甲基双（丙烯酰胺）、过硫酸盐和超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子在乙二醇中混合均匀，得到混合溶液；

b）向所述步骤a）得到的混合溶液中加入N,N,N′,N′-四甲基乙二胺，在外加均匀磁场的作用下反应得到光子晶体湿度传感器。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a）具体包括：

a1）将丙烯酰胺单体、N,N′-亚甲基双（丙烯酰胺）和过硫酸盐在乙二醇中混合均匀，得到第一溶液；

a2）向所述步骤a1）得到的第一溶液中加入超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子，超声分散后得到混合溶液。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺单体、N,N′-亚甲基双（丙烯酰胺）、过硫酸盐和所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子的质量比为（100～150）:（5～10）:（1～3）：（3～5）。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述均匀磁场的强度为0.1T～0.2T。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述反应的时间为20s～50s。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子按照以下方法制备：

将二茂铁分散于丙酮中，加入过氧化氢水溶液，密封、180℃～200℃下反应，得到超顺磁性的碳包覆的四氧化三铁胶态纳米粒子。

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