CN103163082B - 一种利用三维光子晶体测量pH的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用三维光子晶体测量pH的方法，它涉及一种测量溶液pH值的方法。本发明要解决现有方法对pH测量准确度不高和稳定性不好的问题。方法：一、超纯水中加入甲基丙烯酸和苯乙烯，调节体系pH，再加入过硫酸钾搅匀；二、加入超纯水调节溶液的体积分数，放入恒温箱内沉积得到光子晶体薄膜；三、光子晶体薄膜放入不同pH值的溶液中，依次测光子晶体薄膜的反射光谱曲线，拟合出pH值与光子晶体薄膜反射光波峰处波长的关系曲线；四、光子晶体薄膜浸泡于待测溶液中，测反射光谱曲线，推得待测溶液的pH值。本发明制备光子晶体薄膜的设备简单，薄膜可重复使用，pH测量值准确，测量数值稳定。本发明主要应用于溶液pH值的测量。

Description

一种利用三维光子晶体测量pH的方法

技术领域

本发明涉及一种测量溶液pH值的方法。

背景技术

pH值是标志溶液酸碱浓度的基本参数，pH值的测量在电力、环保、化工等部门被广泛应用。目前有多种测量溶液pH值的传感器，如光化学pH传感器、离子敏pH传感器、玻璃电极传感器、锑电极传感器、酶pH传感器等，但这些pH传感器均不同时具有测量准确、稳定性好等特点。

光子晶体这一概念最早是由Yablonovitch和John提出的，其是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于其具有光子带隙的重要优越特点，在很多现代高新技术领域中都扮演着重要角色。

光子带隙是光子晶体最根本的特征,落在带隙中的光被禁止传播。由于光子带隙的存在，人们可以通过设计带隙实现对各种波长光的操控。影响光子带隙的因素有两种介质材料的介电常数比(或折射率比)和光子晶体的结构，因此，改变光子带隙可以从这两方面考虑:一是改变折射率进行调制，二是改变晶体自身结构进行调制。目前，主要利用电场调制、磁场调制、压力调制、光照调制、温度调制的方法改变光子带隙。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法对溶液pH测量准确度不高和稳定性不好的问题，而提供一种利用三维光子晶体测量pH的方法。

本发明利用三维光子晶体测量pH的方法按下列步骤实现：

一、向90～120mL超纯水中通氮气，加热至65～95℃，恒温25～45min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通过NaOH溶液调节反应体系pH至9～12，加入0.184～0.334g的过硫酸钾，搅拌均匀，在55～75℃的温度下反应2～3小时，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超纯水调节微球溶液的体积分数至0.1%～0.3%，放入恒温箱内，以50～70℃的温度沉积4～6天得到光子晶体薄膜；三、将步骤二得到的光子晶体薄膜放入不同pH值的溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在不同pH值溶液中的反射光谱曲线，然后拟合出溶液pH值与光子晶体薄膜反射光波峰处波长的关系曲线；四、然后将步骤三中的光子晶体薄膜放入待测溶液中，使用光谱仪测待测溶液中光子晶体薄膜的反射光谱曲线，进而推得待测溶液的pH值；

其中步骤一中的甲基丙烯酸和苯乙烯的质量比是（3.6～6.6）：1。

本发明测量溶液pH值的原理是采用pH调制的方法对三维光子晶体带隙进行连续调节，利用三维光子晶体带隙随溶液的pH变化测量pH值，光子晶体由单分散微球有序紧密排列而成，微球表面可以带有较多的弱电解质基团，不同pH值下弱电解质基团电离程度不同，导致带电程度和排斥力不同，进而导致聚合物链伸展程度不同，从而改变晶格结构。因此，本发明通过待测溶液pH值来改变光子晶体的晶格结构，进而改变其带隙，从而达到测量pH的目的。

本发明的有益效果在于制备光子晶体薄膜的设备简单，可连续测量，三维光子晶体薄膜可重复使用，pH测量值准确，误差小于0.05pH～0.1pH，测量数值稳定。

附图说明

图1是具体实施方式八步骤二得到的光子晶体薄膜的微观电镜照片；

图2是具体实施方式八步骤三光子晶体薄膜放入pH=1，pH=3，pH=5，pH=7，pH=9的5组溶液中的光子晶体薄膜反射光谱变化曲线，1—表示光子晶体薄膜放入pH=1的溶液中的反射光谱变化曲线，2—表示光子晶体薄膜放入pH=3的溶液中的反射光谱变化曲线，3—表示光子晶体薄膜放入pH=5的溶液中的反射光谱变化曲线，4—表示光子晶体薄膜放入pH=7的溶液中的反射光谱变化曲线，5—表示光子晶体薄膜放入pH=9的溶液中的反射光谱变化曲线；

图3是实施例一步骤二得到的光子晶体薄膜的微观电镜照片。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式利用三维光子晶体测量pH的方法按下列步骤实施：

一、向90～120mL超纯水中通氮气，加热至65～95℃，恒温25～45min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通过NaOH溶液调节反应体系pH至9～12，加入0.184～0.334g的过硫酸钾，搅拌均匀，在55～75℃的温度下反应2～3小时，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超纯水调节微球溶液的体积分数至0.1%～0.3%，放入恒温箱内，以50～70℃的温度沉积4～6天得到光子晶体薄膜；三、将步骤二得到的光子晶体薄膜放入不同pH值的溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在不同pH值溶液中的反射光谱曲线，然后拟合出溶液pH值与光子晶体薄膜反射光波峰处波长的关系曲线；四、然后将步骤三中的光子晶体薄膜放入待测溶液中，使用光谱仪测待测溶液中光子晶体薄膜的反射光谱曲线，进而推得待测溶液的pH值；

其中步骤一中的甲基丙烯酸和苯乙烯的质量比是（3.6～6.6）：1。

本实施方式步骤二中的微球溶液是以超纯水为溶剂，微球为溶质。步骤三拟合溶液pH值与光子晶体薄膜反射光波峰处波长的关系的方法可以是以光子晶体薄膜反射光波峰处波长为横坐标，以溶液pH值为纵坐标描点，在坐标图上用平滑的线将以光子晶体薄膜反射光波峰处波长为横坐标、以溶液pH值为纵坐标的点连接起来。

本实施方式作为一种测量溶液pH值的新方法，它是利用粒径对pH响应的单分散微球组装成带隙随pH连续可调的三维有序结构晶体。当溶液的pH值不同时，羧基、羟基以及氨基等弱电解质基团的电离程度发生变化，导致聚合物链的伸展程度发生变化，进而导致微球粒径发生变化。因此，单分散微球的填充率改变，影响光子晶体带隙，通过反射光谱曲线测出溶液的pH值，通过大量实验可以总结出经不同pH值溶液浸泡后的光子晶体薄膜反射光谱变化曲线，以此为依据，拟合出溶液pH值与光子晶体薄膜反射光波峰处波长值的关系，从而推知待测溶液的pH值。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一搅拌速度为150r/min。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一在60～70℃的温度下反应2～3小时。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是步骤一在65℃的温度下反应2.5小时。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是步骤二放入恒温箱内，以60℃的温度沉积5天。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三光子晶体薄膜放入5～35组不同pH值的溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在5～35组不同pH值溶液中的反射光谱曲线。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤三光子晶体薄膜依次放入pH=1，pH=2，pH=3，pH=4，pH=5，pH=6，pH=7，pH=8，pH=9，pH=10，pH=11，pH=12，pH=13，pH=14的14组溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在14组不同pH值溶液中的反射光谱曲线。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式八：本实施方式利用三维光子晶体测量pH的方法按下列步骤实施：

一、向100mL超纯水中通氮气，加热至80℃，恒温30min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通过NaOH溶液调节反应体系pH至11.6，加入0.184g的过硫酸钾，搅拌均匀，在65℃的温度下反应2.5小时，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超纯水调节微球溶液的体积分数至0.2%，放入恒温箱内，以60℃的温度沉积6天得到光子晶体薄膜；三、将步骤二得到的光子晶体薄膜放入放入pH=1，pH=3，pH=5，pH=7，pH=9的5组溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在5组不同pH值溶液中的反射光谱曲线，然后拟合出溶液pH值与光子晶体薄膜反射光波峰处波长的关系曲线；四、然后将步骤三中的光子晶体薄膜放入待测溶液中，使用光谱仪测待测溶液中光子晶体薄膜的反射光谱曲线，进而推得待测溶液的pH值；

其中步骤一中加入甲基丙烯酸的体积为0.67mL，加入苯乙烯的体积为11.6mL。

本实施方式步骤二得到的光子晶体薄膜的微观电镜照片如图1所示；

本实施方式步骤三光子晶体薄膜放入pH=1，pH=3，pH=5，pH=7，pH=9的5组溶液中的光子晶体薄膜反射光谱变化曲线如图2所示。

实施例一：本实施例利用三维光子晶体测量pH的方法按下列步骤实施：

一、向100mL超纯水中通氮气，加热至70℃，恒温30min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通过NaOH溶液调节反应体系pH至9.6，加入0.184g的过硫酸钾，搅拌均匀，在60℃的温度下反应2.5小时，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超纯水调节微球溶液的体积分数至0.1%，放入恒温箱内，以55℃的温度沉积5天得到光子晶体薄膜；三、将步骤二得到的光子晶体薄膜依次放入pH=1，pH=2，pH=3，pH=4，pH=5，pH=6，pH=7，pH=8，pH=9，pH=10，pH=11，pH=12，pH=13，pH=14的14组溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在这14组不同pH值溶液中的反射光谱曲线，然后拟合出溶液pH值与光子晶体薄膜反射光波峰处波长的关系曲线；四、然后将步骤三中的光子晶体薄膜放入待测溶液中，使用光谱仪测待测溶液中光子晶体薄膜的反射光谱曲线，进而推得待测溶液的pH值；

其中步骤一中加入甲基丙烯酸的体积为0.67mL，加入苯乙烯的体积为11.6mL。

本实施例步骤三和四所使用的光谱仪为美国海洋光学光谱仪。

本实施例步骤三光子晶体薄膜浸泡于pH=1的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在700nm时出现波峰；浸泡于pH=2的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在725nm时出现波峰；浸泡于pH=3的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在750nm时出现波峰；浸泡于pH=4的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在775nm时出现波峰；浸泡于pH=5的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在800nm时出现波峰；浸泡于pH=6的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在825nm时出现波峰；浸泡于pH=7的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在850nm时出现波峰；浸泡于pH=8的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在875nm时出现波峰；浸泡于pH=9的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在900nm时出现波峰；浸泡于pH=10的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在925nm时出现波峰；浸泡于pH=11的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在950nm时出现波峰；浸泡于pH=12的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在975nm时出现波峰；浸泡于pH=13的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在1000nm时出现波峰；浸泡于pH=14的溶液中，测得光子晶体薄膜的反射光波长在1025nm时出现波峰。

本实施例步骤二得到的光子晶体薄膜的微观电镜照片如图3所示。

设溶液pH值为y，光子晶体薄膜的反射光波长在xnm时出现波峰,则拟合得到y=0.04x-27，然后将本实施例步骤三中的光子晶体薄膜放入待测溶液中，使用光谱仪测待测溶液中光子晶体薄膜的反射光谱曲线，得到光子晶体薄膜的反射光波峰处的波长，进而推得待测溶液的pH值。

本实施例得到三维光子晶体薄膜可重复使用，测量溶液的pH值准确，误差小于0.05pH～0.1pH，测量数值稳定。

Claims (7)

1.一种利用三维光子晶体测量pH的方法，其特征在于利用三维光子晶体测量pH的方法按下列步骤实现：

一、向90～120mL超纯水中通氮气，加热至65～95℃，恒温25～45min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通过NaOH溶液调节反应体系pH至9～12，加入0.184～0.334g的过硫酸钾，搅拌均匀，在55～75℃的温度下反应2～3小时，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超纯水调节微球溶液的体积分数至0.1%～0.3%，放入恒温箱内，以50～70℃的温度沉积4～6天得到光子晶体薄膜；三、将步骤二得到的光子晶体薄膜放入不同pH值的溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在不同pH值溶液中的反射光谱曲线，然后拟合溶液pH值与光子晶体薄膜反射光波峰处波长的关系曲线；四、然后将步骤三中的光子晶体薄膜放入待测溶液中，使用光谱仪测待测溶液中光子晶体薄膜的反射光谱曲线，进而推得待测溶液的pH值；

其中步骤一中的甲基丙烯酸和苯乙烯的质量比是（3.6～6.6）：1。

2.根据权利要求1所述的一种利用三维光子晶体测量pH的方法，其特征在于步骤一搅拌速度为150r/min。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用三维光子晶体测量pH的方法，其特征在于步骤一在60～70℃的温度下反应2～3小时。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用三维光子晶体测量pH的方法，其特征在于步骤一在65℃的温度下反应2.5小时。

5.根据权利要求1所述的一种利用三维光子晶体测量pH的方法，其特征在于步骤二放入恒温箱内，以60℃的温度沉积5天。

6.根据权利要求1所述的一种利用三维光子晶体测量pH的方法，其特征在于步骤三光子晶体薄膜放入5～35组不同pH值的溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在5～35组不同pH值溶液中的反射光谱曲线。

7.根据权利要求1所述的一种利用三维光子晶体测量pH的方法，其特征在于步骤三光子晶体薄膜依次放入pH=1，pH=2，pH=3，pH=4，pH=5，pH=6，pH=7，pH=8，pH=9，pH=10，pH=11，pH=12，pH=13，pH=14的14组溶液中，使用光谱仪依次测光子晶体薄膜在14组不同pH值溶液中的反射光谱曲线。