CN105218740A - 温度、NaCl盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度、NaCl盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶的制备方法，将异丙基丙烯酰胺单体、N,Nˊ-亚甲基二丙烯酰胺、过硫酸盐在溶剂中充分搅拌混合均匀，然后加入超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子，超声分散得到均匀的混合溶液；再将混合溶液置于恒定强度的永磁场中，加入四甲基乙二胺快速混合、磁场诱导磁性粒子在溶液中组装成光子晶体纳米链、静置反应，聚合完成后得到负载有磁性纳米链的聚异丙基丙烯酰胺的凝胶；最后将凝胶用去离子水浸泡充分溶胀，即得到温度、盐敏感变色的光子晶体水凝胶。该方法操作简单，不需要特殊的设备，制备的水凝胶，具有优异的温度、NaCl盐敏感可逆变色性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种变色水凝胶的制备方法，特别是一种具有温度和NaCl盐敏感性变色的光子晶体水凝胶的制备方法。
背景技术
响应性水凝胶是对外界环境，如温度、离子浓度、pH、光和化学物质等细微变化产生响应性行为的一类凝胶。由于响应性水凝胶在药物控制释放、传感器、伤口敷料、人造肌肉等方面有着潜在的应用，近年来引起了国内外广泛的关注和研究。现有技术公开的响应性水凝胶的响应行为主要体现在单一的体积的收缩或者溶胀，限制了其应用领域。因此，将响应性水凝胶与其他功能材料集成制备智能型的杂化水凝胶成为了一个研究的热点方向。
光子晶体是指由两种或者两种以上具有不同折射率(介电常数)的材料在空间周期性排列而成的规则结构。其介电常数周期性变化的结构会引起一部分频率的光不能传输过该结构，从而影响光子的运动，这些被禁止的频率区域被称之为光子带隙。光子带隙的存在产生了结构色，使得我们看到绚丽的颜色。响应性光子晶体是通过改变自身的光子晶体带隙对外界刺激作出响应行为的材料，而如果带隙的变化在可见光范围内(400～760nm)，那么体现出来的就是肉眼可见的变色行为。响应性光子晶体在温度传感器、压力传感器、生物监测、彩色显示器、军事伪装、印刷等领域都有着广泛的应用。
制备响应光子晶体的一种重要的方法就是把响应性水凝胶的体积响应行为与光子晶体带隙结合，制备得到光子晶体水凝胶，通过凝胶的收缩改变改变物理的带隙结构，从而产生变色传感行为。SanfordA.Asher等在AnalyticalchemistryVol.87(2015)pp.5013-5025中报道了一种用聚苯乙烯微球界面组装制备光子晶体模板，然后复合蛋白质水凝胶得到具有化学生物传感性能的光子晶体水凝胶。该凝胶显示出对pH、湿度以及蛋白质的敏感变色行为，随着pH、湿度或者蛋白质浓度的变化，该光子晶体水凝胶资深颜色也会发生相应的变化，颜色变化范围覆盖了整个可见光区域，并且不需要任何外界能量的补给。但是，这种传感的光子晶体水凝胶首先需要界面组装制备单分子层的聚苯乙烯光子晶体模板，方法复杂、步骤繁琐而且实验条件难以控制，很难制备没有缺陷态的光子晶体水凝胶。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种温度、盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶的制备方法，本发明提供的制备方法快速可控，得到的温度、NaCl盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶稳定性好，可实现肉眼可见的检测，同时可以可逆变色重复使用。
本发明的技术方案为：温度、NaCl盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶的制备方法，其特征具体步骤如下：
(1)将异丙基丙烯酰胺单体、N,N'-亚甲基二丙烯酰胺、过硫酸盐在溶剂中混合均匀，得到溶液；
(2)向步骤(1)得到的溶液中加入超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子，超声分散得到混合溶液；
(3)将步骤(2)得到的混合溶液置于恒定的永磁场中，立即加入四甲基乙二胺，搅拌均匀，静置反应聚合，得到凝胶；
(4)将步骤(3)得到的凝胶在去离子水中充分溶胀得到温度、NaCl盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶。
优选步骤(1)中异丙基丙烯酰胺单体与溶剂的质量比为(0.3～0.6)：1；异丙基丙烯酰胺单体NIPAM与N,N'-亚甲基二丙烯酰胺MBA的质量比为(20～100)：1；过硫酸盐与异丙基丙烯酰胺单体NIPAM的质量比为(0.01～0.05)：1。
优选步骤(1)中所述的过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠中的一种。优选步骤(1)中所述的溶剂为水或乙二醇中的至少一种。
优选步骤(2)中所述的超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子的加入质量与所述步骤(1)中溶剂的质量比为(0.003～0.015)：1。
优选步骤(2)中所述的超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子参考文献AdvancedOpticalMaterials.Vol.2(2014)pp.652-662报道的方法制备；超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子的粒径优选为130nm～200nm。
优选步骤(3)所述的永磁场的强度为400G～1000G。
优选步骤(3)四甲基乙二胺的加入质量与过硫酸盐的质量比为(1～2)：1。优选步骤(3)中静置反应的时间为30～50秒。
本发明是这样实施的：以异丙基丙烯酰胺单体、N,N'-亚甲基二丙烯酰胺、过硫酸盐和超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子为起始原料，在四甲基乙二胺的催化作用下反应生成聚异丙基丙烯酰胺水凝胶；同时，在均匀磁场的作用下，磁性粒子自组装成光子晶体链结构并且固定在聚异丙基丙烯酰胺凝胶中；凝胶在水中充分浸泡最后得到温度、NaCl盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶。
有益效果
(1)本发明操作简单可控，使用过硫酸盐引发异丙基丙烯酰胺固化，具有工业应用前景；
(2)本发明所制备的水凝胶具有优异的光学性能、绚丽的结构色；
(3)本发明无需采用化学染料，对减少化学环境污染具有参考价值。
附图说明
图1为本发明实施例1光子晶体水凝胶的扫描显微镜照片；
图2为本发明实施例1水凝胶中光子晶体磁链结构的电镜扫面图；
图3为本发明实例1光子晶体水凝胶反射光谱图；
图4为本发明实例1光子晶体水凝胶在不同温度下的颜色变化图；
图5为本发明实例1光子晶体水凝胶在不同温度下的反射光谱图；
图6为本发明实例1光子晶体水凝胶的温度循环次数与衍射波长的关系图；
图7为本发明实例1光子晶体水凝胶在不同NaCl浓度下的颜色变化图；
图8为本发明实例1光子晶体水凝胶在不同NaCl浓度下的反射光谱图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，其目的仅在于更好的理解本发明而非限制本发明保护的范围。
实施例1
将0.5g异丙基丙烯酰胺单体、0.005gN,N'-亚甲基二丙烯酰胺、0.01g过硫酸铵加入1g水当中，均匀混合得到第一溶液；将0.005g粒径为140nm的超顺磁的碳包覆的四氧化三铁纳米粒子加入第一溶液中，超声分散均匀得到混合溶液；
将上述混合溶液置于5mL的小烧杯中，在烧杯下方施加500G的均匀磁场，再加入0.01g的四甲基乙二胺，快速混合，静置反应48秒，得到光子晶体凝胶；
将光子晶体凝胶浸泡在去离子水中，每天换水，直到凝胶达到溶胀平衡，得到温度、盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶。
对所述光子晶体水凝胶结构进行电镜扫描，结果参见图1，结果显示所制备的光子晶体水凝胶具有非常均一的孔结构。
对所述光子晶体水凝胶磁性纳米链结构进行电镜扫描，结果参见图2，结果显示所制备的水凝胶中嵌入了光子晶体磁链结构。
所述可逆变色光子晶体水凝胶显示出亮丽的黄绿色的结构色，图3为本发明实例提供的光子晶体水凝胶(2×2×0.5cm)在15℃下的颜色和凝胶表面不同部位反射光谱图。结果显示光子晶体水凝胶的反射光谱在527nm左右，波长稳定、反射强度均一。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在去离子水中，加热至不同的温度下进行颜色的观察，结果参见图4和图5，图4为本发明实例提供的光子晶体水凝胶在15℃～32℃时的颜色，图5为本发明实例提供的光子晶体水凝胶在15℃～28℃下的反射光谱图。由图4和图5可知，当温度在15℃时，光子晶体水凝胶的反射波长在527nm，表现为黄绿色；当温度在20℃时，光子晶体水凝胶的反射波长在510nm，表现为绿色；当温度在24℃时，光子晶体水凝胶的反射波长在490nm，变现为蓝绿色；当温度在27℃时，光子晶体水凝胶的反射波长在460nm，变现为蓝色；当温度在28℃时，光子晶体水凝胶的反射波长在450nm，变现为蓝紫色。由此可见，本发明提供的可逆变色光子晶体水凝胶可以随温度的变化而发生颜色变化，并且可以实现对15～32℃范围内温度快速、视觉可见的检测。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在去离子水中，在15℃和26℃之间进行温度的循环变化，结果参见图6，图6位本发明实例提供的光子晶体水凝胶的在15℃和26℃循环次数和衍射波长的关系图。由图6可知，本发明提供的变色光子晶体水凝胶可反复使用，具有很好的可逆温度变色和重复检测的能力。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在不同浓度的NaCl溶液当中(温度维持在13℃)，观察颜色的变化，结果参见图7和图8，图7为本发明实例提供的光子晶体水凝胶在NaCl浓度为0～1200mM之间变化时的颜色，图8为本发明实例提供的光子晶体水凝胶在NaCl浓度为0～1000mM之间变化时的反射光谱图。由图7和8可知，当NaCl浓度为0mM时，光子晶体水凝胶的反射波长在534nm，表现为黄绿色；当NaCl浓度为300mM时，光子晶体水凝胶的反射波长在511nm，表现为绿色；当NaCl浓度为500mM时，光子晶体水凝胶的反射波长在484nm，表现为深绿色；当NaCl浓度为700mM时，光子晶体水凝胶的反射波长在471nm，表现为蓝绿色；当NaCl浓度为900mM时，光子晶体水凝胶的反射波长在456nm，表现为蓝色；当NaCl浓度为1200mM时，光子晶体水凝胶表现为紫色。由此可见，本发明提供的可逆变色光子晶体水凝胶可以随NaCl盐浓度的变化而发生颜色变化，并且可以实现对在0～1200mM范围内NaCl盐浓度的快速、视觉可见的检测。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在不同浓度的NaCl溶液当中，进行NaCl盐浓度循环变化测试，结果表明，本发明提供的变色光子晶体水凝胶可反复使用，具有很好的NaCl盐浓度可逆变色和重复检测的能力。
实施例2
将0.3g异丙基丙烯酰胺单体、0.005gN,N'-亚甲基二丙烯酰胺、0.015g过硫酸钾加入1g乙二醇当中均匀混合得到第一溶液；将0.01g粒径为160nm的超顺磁的碳包覆的四氧化三铁纳米粒子加入第一溶液中，超声分散均匀得到混合溶液；
将上述混合溶液置于5mL的小烧杯中，在烧杯下方施加700G的均匀磁场，再加入0.002g四甲基乙二胺，快速混合，静置反应40秒，得到光子晶体凝胶；
将光子晶体凝胶浸泡在去离子水中，每天换水，直到凝胶达到溶胀平衡，得到温度、盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在去离子水中，加热至不同的温度下进行颜色的观察，结果表明发明提供的可逆变色光子晶体水凝胶可以随温度的变化而发生颜色变化，并且可以实现对15～32℃范围内温度快速、视觉可见的检测。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在去离子水中进行温度的循环变化测试，结果表明，本发明提供的变色光子晶体水凝胶可反复使用，具有很好的可逆温度变色和重复检测的能力。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在不同浓度的NaCl溶液当中(温度维持在13℃)，观察颜色的变化，结果表明，本发明提供的可逆变色光子晶体水凝胶可以随NaCl盐浓度的变化而发生颜色变化，并且可以实现对在0～1200mM范围内NaCl盐浓度的快速、视觉可见的检测。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在不同浓度的NaCl溶液当中，进行NaCl盐浓度循环变化测试，结果表明，本发明提供的变色光子晶体水凝胶可反复使用，具有很好的NaCl盐浓度可逆变色和重复检测的能力。
实施例3
将0.6g异丙基丙烯酰胺单体、0.02gN,N'-亚甲基二丙烯酰胺、0.007g过硫酸钠加入1g乙二醇与水的混合溶液当中，均匀混合得到第一溶液；将0.015g粒径为180nm的超顺磁的碳包覆的四氧化三铁纳米粒子加入第一溶液中，超声分散均匀得到混合溶液；
将上述混合溶液置于5mL的小烧杯中，在烧杯下方实加1000G的均匀磁场，再加入0.012g的四甲基乙二胺，快速混合，静置反应30秒，得到光子晶体凝胶；
将光子晶体凝胶浸泡在去离子水中，每天换水，直到凝胶达到溶胀平衡，得到温度、盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在去离子水中，加热至不同的温度下进行颜色的观察，结果表明发明提供的可逆变色光子晶体水凝胶可以随温度的变化而发生颜色变化，并且可以实现对15～32℃范围内温度快速、视觉可见的检测。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在去离子水中进行温度的循环变化测试，结果表明，本发明提供的变色光子晶体水凝胶可反复使用，具有很好的可逆温度变色和重复检测的能力。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在不同浓度的NaCl溶液当中(温度维持在15℃)，观察颜色的变化，结果表明，本发明提供的可逆变色光子晶体水凝胶可以随NaCl盐浓度的变化而发生颜色变化，并且可以实现对在0～1200mM范围内NaCl盐浓度的快速、视觉可见的检测。
将所述可逆变色光子晶体水凝胶浸泡在不同浓度的NaCl溶液当中，进行NaCl盐浓度循环变化测试，结果表明，本发明提供的变色光子晶体水凝胶可反复使用，具有很好的NaCl盐浓度可逆变色和重复检测的能力。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改和改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些润饰和改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (9)
1.温度、NaCl盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶的制备方法，其具体步骤如下：
(1)将异丙基丙烯酰胺单体、N,N'-亚甲基二丙烯酰胺、过硫酸盐在溶剂中混合均匀，得到溶液；
(2)向步骤(1)得到的溶液中加入超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子，超声分散得到混合溶液；
(3)将步骤(2)得到的混合溶液置于恒定的永磁场中，加入四甲基乙二胺，搅拌均匀，静置反应聚合，得到凝胶；
(4)将步骤(3)得到的凝胶在去离子水中溶胀得到温度、NaCl盐敏感可逆变色的光子晶体水凝胶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中异丙基丙烯酰胺单体与溶剂的质量比为(0.3～0.6)：1；异丙基丙烯酰胺单体与N,N'-亚甲基二丙烯酰胺的质量比为(20～100)：1；过硫酸盐与异丙基丙烯酰胺单体的质量比为(0.01～0.05)：1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠中的一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的溶剂为水或乙二醇中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子的加入质量与所述步骤(1)中溶剂的质量比为(0.003～0.015)：1。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的超顺磁的碳包覆的四氧化铁纳米粒子的粒径为130nm～200nm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)所述的永磁场的强度为400G～1000G。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)四甲基乙二胺的加入质量与过硫酸盐的质量比为(1～2)：1。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中静置反应的时间为30～50秒。
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