CN106990088A - 一种光子晶体湿度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明将荧光染料与蚕丝蛋白溶液共混，通过模板法制备出具有反蛋白石结构的光子晶体湿度传感器，利用蚕丝本身对湿度的敏感，以及光子晶体结构对荧光的放大作用，使得光子晶体湿度传感器具有明显的湿度响应荧光变化特性。由于本发明原料易取，实现方法简单，功能针对性强，在生物、化学传感领域等方面具备广泛的应用和极强的实际推广价值。

Description

一种光子晶体湿度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种光子晶体湿度传感器及其制备方法。

背景技术

光子晶体是指由两种或两种以上介电常数不同材料周期性排列形成的材料结构，因为其独特的光学特性能将很多发光物质的发光强度放大，继而实现了放大光信号的输出，将本身具有响应特性的材料制备成光子晶体材料则可获得具有放大响应特性的光子晶体材料，外界施加的刺激信号会改变响应材料的物化性质，从而对光子晶体本身的周期结构与折射率等产生影响，使得响应材料对光的控制发生变化，实现了外界刺激信号向光信号的放大式转化。在响应性光子晶体领域，湿度响应光子晶体被广泛关注，在防伪、传感等方面具有应用前景。

目前湿度响应性光子晶体所使用的相应材料可分为无机类和有机类，其中有机聚合物凝胶由于种类多样性，响应明显和合成方便受到了广泛关注。一般有机聚合物凝胶使用具有良好吸水特性的高分子单体，吸收环境中的水分导致聚合物发生溶胀，随着其折射率发生改变，根据布拉格衍射定律其反射峰会发生移动，实现了对湿度的响应变色。

CN105153456A使用碱处理后的生物模板(如蝶翅等)，将包含有交联剂、高分子单体和引发剂的前驱体溶液浇注其中，去除模板后60～80℃加热后即得具有湿度响应变色的光子晶体材料。然而，这些人工制备光子晶体的原材料生物相容性很差，在人体或其他动物的环境中会产生较大的排斥反应，在生物科学领域中的应用受到一定的限制。另一方面，这些光子晶体材料只是借助结构改变使得其本身物理色改变来显示外界刺激的改变，尤其某些使用生物模板的光子晶体材料光信号的输出较弱，而对不同湿度的光信号变化则更弱。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种光子晶体湿度传感器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种光子晶体湿度传感器，其为三维反蛋白石光子晶体，制备所述反蛋白石光子晶体的前驱体溶液包括荧光染料溶液与蚕丝蛋白溶液，荧光染料与蚕丝蛋白的质量比为(0.0001-0.1)：1。

优选地，所述反蛋白石光子晶体的孔隙率大于70％。

优选地，所述的发射峰峰位与所述反蛋白石光子晶体结构的光子禁带的发射峰位错开。

优选地，所述荧光染料的发射峰峰位与所述反蛋白石光子晶体结构的光子禁带结构的边带重合。

优选地，反蛋白石光子晶体中的光子晶体结构为1层或多层。

优选地，所述前驱体溶液中还包括聚乙二醇，所述聚乙二醇与蚕丝蛋白的质量比为(0.001-0.1):1。

本发明还提供一种如前述的光子晶体湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备蛋白石型光子晶体模板；

S2、制备蚕丝蛋白溶液：将碎蚕茧用碳酸氢钠溶液洗涤去除丝胶，然后用去离子水洗涤，自然干燥；在60℃将所得的干燥蚕丝溶解在9.2mol/L溴化锂溶液中，再用透析的方法在蒸馏水中析出溴化锂，得到浓度为5％(w/v)的蚕丝蛋白溶液；

S3、制备前驱体溶液：将荧光染料与蚕丝蛋白按(0.0001-0.1)∶1的质量比均匀混合，获得前驱体溶液；

S4、将前驱体溶液浇注到S1所制备的蛋白石型光子晶体模板中，待1h～5h自然干燥后浸泡于四氢呋喃或丙酮等有机溶剂中3-5h以去除微球；将蚕丝光子晶体薄膜从玻璃片上揭下来，获得所述光子晶体湿度传感器。

优选地，步骤S1中，通过调整蛋白石型光子晶体模板的光子晶体结构层数调节光子晶体湿度传感器的荧光发光强度，所述光子晶体结构层数与荧光发光强度呈线性增加关系。

优选地，步骤S1中通过选择制备蛋白石型光子晶体模板的微球粒径以调控光子晶体湿度传感器的光子禁带对应的反射峰峰位，使光子晶体湿度传感器中光子禁带对应的发射峰的边带与荧光染料的发射峰峰位重合，光子晶体禁带所对应的发射峰波长与制备其的蛋白石型模板的微球粒径间的估算公式为d＝0.6049λ-1.3066，式中，d为微球粒径，λ为光子晶体禁带对应的发射峰波长，估算求得的微球粒径d在±20nm误差范围内调整。

优选地，步骤S3中，前躯体溶液中还包括聚乙二醇溶液，将聚乙二醇与蚕丝蛋白按质量比(0.001-0.1):1混合组成蚕丝蛋白-聚乙二醇混合溶液，将所述荧光染料与所述蚕丝蛋白-聚乙二醇混合溶液均匀混合组成前躯体溶液。

本发明利用光子晶体结构对荧光的放大作用，以蚕丝为主要材料制备应用于湿度响应的光子晶体湿度传感器，其具有以下主要优点：

1、本发明不限于光子晶体结构对荧光的单纯放大作用，还包括湿度刺激变化对光子晶体结构的光子禁带调控作用，蚕丝材料本身具有良好的吸水特性，将其制备成具有高孔隙率(大于70％)的反蛋白石型光子晶体结构后，对水分的吸收和释放更快速，因而，在湿度刺激下，蚕丝溶胀/收缩时其体积变化明显，且其禁带结构移动显著，从而将荧光分子在湿度变化时荧光强度的变化进行增强，实现动态检测，具备更高的灵敏性和更稳定的循环测试曲线；

2、采用蚕丝材料将荧光分子包裹在其中，一定程度上保护了荧光分子，避免荧光分子在激发光较长时间照射下被“漂白”，避免荧光发射的强度急剧下降，提高了光子晶体湿度传感器的稳定性；

3、大多荧光分子均具有一定的生物毒性，裸露在光子晶体表面可能会致敏，采用蚕丝材料将荧光分子包裹在其中，使荧光分子很少被裸露在蚕丝材料外面，而蚕丝具有良好的生物相容性，从而使得该种光子晶体湿度传感器可被广泛地应用于生物科学领域；

4、通过选择模板的微球粒径，使荧光染料的发射峰峰位与光子晶体湿度传感器的光子禁带对应的发射峰的不完全重合，避免光子禁带中态密度过低而抑制荧光的发射行为，并且本发明中，荧光染料的发射峰峰位与光子晶体湿度传感器的光子禁带对应的发射峰的边带重合，数十倍增强荧光染料的发光强度。

附图说明

图1为添加荧光染料罗丹明6G，具有不同禁带结构的光子晶体湿度传感器的荧光发射情况对比谱图；

图2为添加荧光染料罗丹明6G，粒径为500nm的光子晶体湿度传感器随光子晶体结构增加而荧光发射增强的荧光谱图；

图3为添加荧光染料罗丹明6G，粒径为700nm的光子晶体湿度传感器随光子晶体结构增加而荧光发射增强的荧光谱图；

图4为添加荧光染料硫黄素T，粒径为700nm的光子晶体湿度传感器随光子晶体结构增加而荧光发射增强的荧光谱图；

图5为添加不同荧光染料罗丹明6G浓度配比，粒径为385nm的光子晶体湿度传感器随荧光染料浓度增加而荧光发射增强的荧光谱图；

图6为添加不同荧光染料罗丹明6G浓度配比，粒径为385nm的光子晶体湿度传感器随荧光染料浓度增加而荧光发射增强的荧光谱图；

图7为光子晶体湿度传感器的SEM图；

图8a为添加荧光染料罗丹明6G，粒径为353nm的光子晶体湿度传感器在不同湿度点时荧光发射情况；图8b为添加荧光染料罗丹明6G，粒径为353nm的无光子晶体结构膜在不同湿度点时荧光发射情况；

图9为添加荧光染料罗丹明6G，粒径为353nm的光子晶体湿度传感器随环境湿度变化荧光发射变化情况；

图10为添加聚乙二醇200，荧光染料罗丹明6G，粒径为400nm的光子晶体湿度传感器随环境湿度变化荧光发射变化情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

S1、制备具有不同晶格常数的聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板：

S11、通过无皂乳液聚合的方法(粒径范围为100nm-1000nm)，制备粒径295nm、310nm、350nm、353nm、365nm、385nm的单分散聚苯乙烯微球乳液，固含量约为10％(w/v)，作为基础结构，使用时用水稀释到2wt.％：

S111、称取0.175g过硫酸铵于烧杯中，加入20mL去离子水使溶解；

S112、分别量取2.08mL、1.83mL、1.15mL、1.10mL、0.90mL、0.57mL丙烯酸和38.5mL苯乙烯，溶于300mL去离子水，于500mL四口烧瓶中250r/min搅拌，打开冷却水，通入氮气鼓泡20min；

S113油浴加热至70℃稳定后，加入过硫酸铵水溶液，在搅拌、冷却水打开、氮气保护下反应7小时。

S12、将某一粒径的聚苯乙烯微球乳液(100ul，2wt.％)铺满在体积1cm*1cm平整的玻璃片上，放入40℃烘箱干燥，获得聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板。

S2、制备蚕丝溶液：从蚕茧获得蚕丝蛋白溶液，固含量约为5％(w/v)的制备，作为基本材料，使用时用水稀释到2wt.％：

S21、将碎蚕茧用0.05％(w/v)碳酸氢钠洗涤去除丝胶，然后用去离子水洗涤，自然干燥；

S22、在60℃将所得的干燥蚕丝纤维溶解在9.2mol/L溴化锂溶液中，在用透析的方法在蒸馏水中析出溴化锂，得到浓度大约5％(w/v)的蚕丝蛋白溶液。

S3、将荧光染料罗丹明6G溶液(1E-4M)与蚕丝蛋白溶液(2wt.％)按体积比1：100混合均匀。

S4、制备具有不同晶格常数的光子晶体湿度传感器：

将混合溶液(100ul，蚕丝2wt.％，罗丹明6G 1E-6M)浇注到不同某一粒径的聚苯乙烯微球模板中，待1h～5h自然干燥后浸泡于四氢呋喃或丙酮等有机溶剂中4h去除聚苯乙烯微球，最后将蚕丝光子晶体薄膜从玻璃片上揭下来，即获得光子晶体湿度传感器。

图1为添加荧光染料罗丹明6G(1E-6M)，具有不同禁带结构的光子晶体湿度传感器的荧光发射情况对比谱图，可以看出，使用粒径350nm聚苯乙烯微球为模板的光子晶体湿度传感器(IO350)的荧光发射强度最弱(约为1000a.u.)，使用粒径353nm聚苯乙烯微球为模板的光子晶体湿度传感器(IO353)的荧光发射强度最强(约为7500a.u.)，使用其他粒径的聚苯乙烯微球为模板的光子晶体湿度传感器(IO295、IO310、IO365、IO385)的荧光发射强度居中，分别约为3300a.u.、2800a.u.、3100a.u.、3200a.u.、3700a.u.。

使用不同微球粒径的模板分别制备的光子晶体湿度传感器的荧光发射强度截然不同，其原因在于光子禁带的影响。光子禁带是光子晶体材料非常独特的光学特性之一，申请人经长期大量的研究实验发现：当发光物质的发射峰位与所得光子晶体材料的光子禁带结构的边带重合时，发光行为会被最大倍数的增强，这是光子禁带的边带上态密度急剧增加、电磁耦合作用等效应共同作用的结果，实施例1中，以353nm聚苯乙烯微球为模板、添加罗丹明6G染料制备的光子晶体湿度传感器具有最强的荧光增强倍数，即因为罗丹明6G染料的发射峰(约为550nm,与入射光波长、强度等有关)与制备出的光子晶体湿度传感器的光子禁带结构的边带重合。另一方面，光子禁带对特定的波长或波段具有禁阻作用，在禁带中对应的某些频率的光不能透过(光子态密度很低)，而在某些频率范围的光是可以透过的。当发光物质的发射峰位与所得光子晶体材料的光子禁带对应的反射峰位完全重合时(即本实施例中以350nm聚苯乙烯微球为模板、添加罗丹明6G染料制备的光子晶体湿度传感器)，发光物质的发光行为会被抑制，使得掺杂荧光染料的光子晶体结构的发光很弱，使得光子晶体湿度传感器对外界湿度刺激的光信号输出会很弱，灵敏度也相应降低了很多。

因此，调节光子晶体湿度传感器禁带结构对提高对湿度响应的灵敏性具有很重要的意义。本发明通过调节作为模板的PS微球的粒径以制备反射峰较窄的三维光子晶体，从而调节光子晶体的禁带结构，制备出具有某特定反射峰波长的反蛋白石结构的光子晶体。已知，蚕丝蛋白的折射率为1.54，以及所需要制备的光子晶体湿度传感器的反射峰波长λ(338nm<λ<1875nm)，则微球粒径d＝0.6049λ-1.3066。需要注意的是，式中考虑了去除模板后填充材料的伸缩效应(即模板去除后的球形空气孔的孔径D不等于微球的粒径d)和添加荧光染料后反射峰的移动情况的不确定，因此该公式仅为申请人经长期研究与大量实验总结出的经验公式，具有一定的误差，实际应用时需在其±20nm的误差范围内尝试、调整。

实施例2

同一晶格常数的同一物质的同维数的光子晶体湿度传感器的光子禁带结构相同，但是不同层数的光子晶体湿度传感器又具有不同放大倍数的荧光发射增强行为。本实施例通过调整蛋白石型光子晶体模板的光子晶体结构层数调节光子晶体湿度传感器的荧光发光强度。

S11、通过实施例1所述的无皂乳液聚合的方法制备粒径500nm的单分散聚苯乙烯微球乳液，其中添加的丙烯酸量为0.33mL，苯乙烯为38.5mL。

S12、分别取不同体积的粒径500nm的聚苯乙烯微球乳液(2wt.％)0ul，25ul，75ul，100ul，铺满在体积1cm*1cm平整的玻璃片上，放入40℃烘箱干燥，获得层数不同的聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板。

S2、根据实施例1所述的方法制备蚕丝蛋白溶液。

S3、将荧光染料罗丹明6G溶液(1E-4M)与蚕丝蛋白溶液(2wt.％)按体积比1：100混合均匀。

S4、将混合溶液(100ul，蚕丝2wt.％，罗丹明6G 1E-6M)浇注到不同光子晶体结构层数的聚苯乙烯微球模板中，制备光子晶体层数分别为0、5、15、20的光子晶体湿度传感器，其中光子晶体层数为0的湿度传感器为实例对照样。

图2为使用粒径500nm聚苯乙烯微球模板，添加荧光染料罗丹明6G(1E-6M)，具有不同光子晶体结构层数的光子晶体湿度传感器的荧光发射情况对比谱图，可以看出，与添加等量荧光染料的无光子晶体结构的普通薄膜材料相比，随着光子晶体结构层数的增加，光子晶体湿度传感器的荧光发射强度呈线性几何式增加，当光子结构为20层时其荧光发射强度(约2400a.u.)增加到对照样(约60a.u.)的40倍。

其中，本实施例所采用的粒径为500nm的聚苯乙烯微球模板并非个例，图3为使用粒径700nm聚苯乙烯微球模板，添加荧光染料罗丹明6G(1E-6M)，具有不同光子晶体结构层数的光子晶体湿度传感器的荧光发射情况对比谱图，可以看出，与添加等量荧光染料的无光子晶体结构的普通薄膜材料相比，随着光子晶体结构层数的增加，光子晶体湿度传感器的荧光发射强度呈几何式增加，当光子结构为20层时其荧光发射强度(约为2450a.u.)增加到对照样(约为50a.u.)的51倍。

其中，本实施例所采用的荧光染料(罗丹明6G)并非个例，蚕丝蛋白溶液还可以与其他多种染料颜色进行融合。图4为使用粒径700nm聚苯乙烯微球模板，添加荧光染料硫黄素T(1E-6M)，具有不同光子晶体结构层数的光子晶体湿度传感器的荧光发射情况对比谱图，可以看出，与添加等量荧光染料的无光子晶体结构的普通薄膜材料相比，随着光子晶体结构层数的增加，光子晶体湿度传感器的荧光发射强度呈线性几何式增加，当光子结构为20层时其荧光发射强度(约为2600a.u.)增加到对照样(约为73a.u.)的35.7倍。

实施例3

同一晶格常数、同一物质、同维数且同层数的光子晶体湿度传感器的光子禁带结构相同，但是不同的染料与蚕丝蛋白的配比会产生不同的荧光发射行为。本实施例通过通过调整染料与蚕丝蛋白的配比调节光子晶体湿度传感器的荧光发光强度。

S11、通过实施例1所述的无皂乳液聚合的方法制备粒径385nm的单分散聚苯乙烯微球乳液，其中添加的丙烯酸量为0.57mL，苯乙烯为38.5mL。

S12、取相同体积的粒径385nm的聚苯乙烯微球乳液(2wt.％)100ul，铺满在体积1cm*1cm平整的玻璃片上，放入40℃烘箱干燥，获得层数相同的聚苯乙烯蛋白石型光子晶体结构模板。

S2、根据实施例1所述的方法制备蚕丝蛋白溶液。

S3、分别配置不同配比的荧光染料罗丹明6G溶液与蚕丝蛋白溶液(2wt.％)的混合溶液，混合后荧光染料罗丹明6G浓度分别为1E-4M，1E-5M，1E-6M，5E-7M，1E-7M，5E-8M，1E-8M。

S4、分别将混合溶液(100ul，蚕丝2wt.％，罗丹明6G)浇注到相同光子晶体结构层数的聚苯乙烯微球模板中，制备得不同染料与蚕丝蛋白配比的的光子晶体湿度传感器。

将混合溶液(100ul，蚕丝2wt.％，罗丹明6G 1E-6M)直接铺满在体积1cm*1cm平整的玻璃片上，放入40℃烘箱干燥，这个无光子晶体结构的普通荧光蚕丝薄膜为实例对照样。

图5及图6均为本实施例中使用粒径385nm聚苯乙烯微球模板，荧光染料罗丹明6G配比(1E-8M～1E-4M)的光子晶体湿度传感器的荧光发射情况对比谱图，其中荧光染料浓度为1E-6M且无光子晶体结构的试样的荧光发射强度约为100a.u.,荧光染料浓度为1E-8M的试样的荧光发射强度约为400a.u.,荧光染料浓度为1E-7M的试样的荧光发射强度约为600a.u.,荧光染料浓度为5E-8M的试样的荧光发射强度约为800a.u.,荧光染料浓度为5E-7M的试样的荧光发射强度约为1550a.u.,荧光染料浓度为1E-6M的试样的荧光发射强度约为3800a.u.,荧光染料浓度为1E-5M的试样的荧光发射强度约为40000a.u.,荧光染料浓度为1E-4M的试样的荧光发射强度约为58000a.u.。

可以看出随着添加荧光染料罗丹明6G浓度的增加，光子晶体湿度传感器的荧光发射强度增加。因此，步骤S3中荧光染料与蚕丝蛋白的质量比可按(0.0001-0.01)∶1的配比调配，当染料所占的质量比提高时，最终获得的材料色彩相应的更加鲜艳。

实施例4

研究本发明所述光子晶体湿度传感器在湿度变化响应下的荧光发射强度变化情况，并与无光子晶体结构的掺杂等量荧光染料罗丹明6G的普通蚕丝薄膜材料作对比。

一、制备光子晶体湿度传感器

S1、通过实施例1所述的无皂乳液聚合的方法制备粒径353nm的单分散聚苯乙烯微球乳液，其中添加的丙烯酸量为1.10mL，苯乙烯为38.5mL，获得粒径353nm聚苯乙烯微球模板。

S2、根据实施例1所述的方法制备蚕丝蛋白溶液。

S3、制备荧光染料罗丹明6G(1E-6M)及蚕丝蛋白溶液共混的前驱体溶液。

S4、制备具有反蛋白石型结构的光子晶体湿度传感器。

二、制备无光子晶体结构的普通蚕丝薄膜材料

根据实例1所述的方法将等量荧光染料罗丹明6G与蚕丝溶液均匀混合，自然干燥后，获得无光子晶体结构的普通蚕丝薄膜材料。

三、相关湿度测试

1、分别将所制备的光子晶体湿度传感器、无光子晶体结构的普通蚕丝薄膜材料放置在可控制温湿度的实验腔体内，保持腔体内温度为25℃，在湿度分别为26％RH、30％RH、40％RH、50％RH、60％RH、70％RH、75％RH、77％RH时测量光子晶体湿度传感器的荧光发射强度。

2、分别将所制备的光子晶体湿度传感器、无光子晶体结构的普通蚕丝薄膜材料放置在可控制温湿度的实验腔体内，保持腔体内温度为25℃，调节湿度快速变化(26.4％RH～77％RH)，测量光子晶体湿度传感器的荧光发射强度变化情况。

图7为使用粒径353nm聚苯乙烯微球模板的，添加荧光染料罗丹明6G(1E-6M)的光子晶体湿度传感器的SEM图，图中标尺为2um。图8为使用粒径353nm聚苯乙烯微球模板的，添加荧光染料罗丹明6G(1E-6M)的光子晶体湿度传感器在不同湿度点时的荧光发射情况对比图。如图8a所示，随着湿度从26.4％RH增加到77％RH，使用粒径353nm聚苯乙烯微球为模板的光子晶体湿度传感器的荧光发射强度逐渐变弱，在高湿度范围(50％RH～70％RH)内荧光发射强度变化较大，整体荧光强度变化约为600a.u.；如图8b所示，无光子晶体结构的普通蚕丝薄膜材料虽有类似荧光变化规律(曲线拟合率较低)，但是整体荧光强度变化仅约为20a.u.，约为有光子晶体结构的光子晶体湿度传感器的1/30。图9为使用粒径353nm聚苯乙烯微球模板的，添加荧光染料罗丹明6G(1E-6M)的光子晶体湿度传感器在湿度快速变化(26.4％RH～77％RH)过程中的荧光发射情况对比图，可以看出，光子晶体湿度传感器的荧光发射强度变化规律稳定、可重复，整体荧光强度变化约为400a.u.，当湿度降低时荧光发射强度增加，当湿度增加时荧光发射强度降低，而无光子晶体结构的普通蚕丝薄膜材料的荧光强度波动很大，而整体荧光强度变化仅约为10a.u.，仅约为有光子晶体结构的光子晶体湿度传感器的1/40。因此，光子晶体湿度传感器将荧光发射强度近数十倍增强，使得湿度刺激动态测试下荧光输出信号更稳定、更清晰可辨。

实施例5

除了蚕丝材料，还有很多高分子也对湿度具有很好的响应，我们将蚕丝溶液和具有良好湿度响应的聚乙二醇溶液共混，有利于提高了光子晶体湿度传感器的湿度响应灵敏度。

S1、通过实施例1所述的无皂乳液聚合的方法，制备粒径400nm的单分散聚苯乙烯微球乳液，其中添加的丙烯酸量为0.33mL，苯乙烯为38.5mL。

S2、根据实施例1所述的方法制备蚕丝蛋白溶液。

S3、先将聚乙二醇200(5wt.％)与蚕丝蛋白溶液(2wt.％)按体积比1：100混合均匀，再将荧光染料罗丹明6G溶液(0.01M)与蚕丝蛋白-聚乙二醇混合溶液按体积比1：100混合均匀，将最后的混合溶液(100u，蚕丝1wt.％，聚乙二醇2.5wt.％，罗丹明6G 1E-6M)浇注到粒径为400nm的聚苯乙烯微球模板中，待1h～5h自然干燥后浸泡于四氢呋喃或丙酮等有机溶剂中4h去除聚苯乙烯微球，最后将蚕丝光子晶体薄膜从玻璃片上揭下来，即获得蚕丝-聚乙二醇复合型光子晶体湿度传感器。

将所制备的荧光增强型蚕丝-聚乙二醇复合型光子晶体湿度传感器放置在可控制温湿度的实验腔体内，保持腔体内温度为25℃，调节湿度快速变化(24％RH～80％RH)，测量荧光增强型蚕丝-聚乙二醇复合型光子晶体湿度传感器的荧光发射强度变化情况，如图10所示，加入聚乙二醇后的光子晶体湿度传感器的荧光发射强度变化规律稳定、可重复，当湿度降低时荧光发射强度降低，当湿度增加时荧光发射强度增加。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种光子晶体湿度传感器，其特征在于：其为三维反蛋白石光子晶体，制备所述反蛋白石光子晶体的前驱体溶液包括荧光染料溶液与蚕丝蛋白溶液，荧光染料与蚕丝蛋白的质量比为(0.0001-0.1)：1。

2.根据权利要求1所述的一种光子晶体湿度传感器，其特征在于：所述反蛋白石光子晶体的孔隙率大于70％。

3.根据权利要求1所述的一种光子晶体湿度传感器，其特征在于：所述荧光染料的发射峰峰位与所述反蛋白石光子晶体的光子禁带的发射峰位错开。

4.根据权利要求3所述的一种光子晶体湿度传感器，其特征在于：所述荧光染料的发射峰峰位与所述反蛋白石光子晶体的光子禁带的边带重合。

5.根据权利要求1所述的一种光子晶体湿度传感器，其特征在于：所述反蛋白石光子晶体中的光子晶体结构为1层或多层。

6.根据权利要求1所述的一种光子晶体湿度传感器，其特征在于：所述前驱体溶液中还包括聚乙二醇溶液，聚乙二醇与蚕丝蛋白的质量比为(0.001-0.1):1。

7.一种如权利要求1所述的光子晶体湿度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、制备蛋白石型光子晶体模板；

S2、制备蚕丝蛋白溶液：将碎蚕茧用碳酸氢钠溶液洗涤去除丝胶，然后用去离子水洗涤，自然干燥；在60℃将所得的干燥蚕丝溶解在9.2mol/L溴化锂溶液中，再用透析的方法在蒸馏水中析出溴化锂，得到浓度为5％(w/v)的蚕丝蛋白溶液；

S3、制备前驱体溶液：将荧光染料与蚕丝蛋白溶液按(0.0001-0.1)∶1的质量比均匀混合，获得前驱体溶液；

S4、将前驱体溶液浇注到S1所制备的蛋白石型光子晶体模板中，待1h～5h自然干燥后浸泡于四氢呋喃或丙酮等有机溶剂中3-5h以去除微球；将蚕丝光子晶体薄膜从玻璃片上揭下来，获得所述光子晶体湿度传感器。

8.根据权利要求7所述的一种光子晶体湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤S1中，通过调整蛋白石型光子晶体模板的光子晶体结构层数调节光子晶体湿度传感器的荧光发光强度，所述光子晶体结构层数与荧光发光强度呈线性增加关系。

9.根据权利要求7所述的一种光子晶体湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤S1中通过选择制备蛋白石型光子晶体模板的微球粒径以调控光子晶体湿度传感器的光子禁带对应的反射峰峰位，使光子晶体湿度传感器中光子禁带对应的发射峰的边带与荧光染料的发射峰峰位重合，光子晶体禁带所对应的发射峰波长与制备其的蛋白石型模板的微球粒径间的估算公式为d＝0.6049λ-1.3066，式中，d为微球粒径，λ为光子晶体禁带对应的发射峰波长，估算求得的微球粒径d在±20nm误差范围内调整。

10.根据权利要求7所述的一种光子晶体湿度传感器的制备方法，其特征在于：步骤S3中，前躯体溶液还包括聚乙二醇溶液，将所述聚乙二醇溶液与蚕丝蛋白溶液按质量比(0.001-0.1):1混合组成蚕丝蛋白-聚乙二醇混合溶液，将所述荧光染料与所述蚕丝蛋白-聚乙二醇混合溶液均匀混合组成前躯体溶液。