CN107033281B - 一种溶胀性能优异的荧光水凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种溶胀性能优异的荧光水凝胶及其制备方法。所述溶胀性能优异的水凝胶，在水中充分溶胀后能达到自然脱水状态凝胶质量的43倍，由丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷以及磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐在羟基环己基苯基酮的引发下由365纳米光照发生化学反应，生成聚丙烯酰胺类化合物。本发明利用磺化杯[4]芳烃钠盐的亲水性优势，通过简单修饰上丙烯基基团，直接参与丙烯酰胺的聚合，即可得到溶胀性能优异的水凝胶，通过简单调节磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的比例则可方便的调节水凝胶的溶胀性能。通过金刚烷基团和四苯乙烯环糊精、吡啶盐与磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的正交识别可以得到发出深蓝色经由白色渐变为黄色的荧光水凝胶。

Description

一种溶胀性能优异的荧光水凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于智能材料技术领域，特别是一种溶胀性能优异的水凝胶即在水中充分溶胀后能达到自然脱水状态凝胶质量的43倍，以及通过溶胀和超分子的正交识别作用获得深蓝色经由白色渐变为黄色的荧光水凝胶的制备方法。
背景技术
水凝胶是指以水为分散介质的凝胶，而溶胀与收缩性能作为具有网状交联结构水凝胶的特质(参见：M.Ni,N.Zhang,W.Xia,X.Wu,C.Yao,X.Liu,X.Y.Hu,C.Lin,L.Y.Wang,J.Am.Chem.Soc.2016,138,6643-6649)，为其在驱动器件、药物传输、生物传感等领域的应用奠定了基础。而溶胀性能良好的水凝胶通常含有丰富的亲水基团和疏水基团，其中亲水基团负责吸引并锁住水分，疏水基团则遇水膨胀。水凝胶溶胀的大小可用溶胀度来衡量，而溶胀过程实际上是平衡两种相反趋势的过程。水分子试图渗透到三维网络内部，使凝胶体积变大导致高分子网络的伸展；而交联点附近分子链的伸展致使构象熵减，分子网络的弹性则力图使网络收缩，当两种相反的倾向互相抵消时达到溶胀平衡，参见：H.Kamata,K.Kushiro,M.Takai,U.-i.Chung,T.akai,Angew.Chem.Int.Ed.2016,128,9428-9432。
正交相互作用对于生物体系的正常运转有着极其重要的意义，受到生物体系的启发，人们利用共价或非共价的正交相互作用来实现有序可控的共价键生成或非共价作用形成，参见：V.X.Truong,M.P.Ablett,S.M.Richardson,J.A.Hoyland,A.P.Dove,J.Am.Chem.Soc.2015,137,1618-1622。而非共价作用中，大环主体与客体的正交识别作用常被应用于构筑功能化超分子模块，参见：(1)H.Li,X.Fan,X.Min,Y.Qian,W.Tian,Macromol.Rapid Commun.2017,38,1600631-1600637；(2)L.Shangguan,H.Xing,J.H.Mondal,B.Shi,Chem.Comm.2017,53,889-892；(3)X.-Q.Wang,W.Wang,G.-Q.Yin,Y.-X.Wang,C.-W.Zhang,J.-M.Shi,Y.Yu,H.-B.Yang,Chem.Comm.2015,51,16813-16816。作为第二代大环主体的环糊精能够依靠疏水相互作用键合很多结构匹配的小分子，例如金刚烷、二茂铁、偶氮苯等；而作为第三代大环主体杯芳烃中一类水溶性良好的后修饰杯芳烃磺化杯[4]芳烃则依赖静电作用、离子交换可以识别很多阳离子小分子，例如紫精、季铵盐等，参见：C.Schneider,A.Bierwisch,M.Koller,F.Worek,S.Kubik,Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,12668-12672。
自2001年唐本忠团队报道了一类能通过限制分子内旋转来实现荧光增强的分子以来(参见：Luo,Z.Xie,J.W.Lam,L.Cheng,H.Chen,C.Qiu,B.Z.Tang.Chem.Comm.2001,18,1740-1741，四苯乙烯分子因其易于制得而备受瞩目，B.P.Jiang,D.S.Guo,Y.C.Liu,K.P.Wang,Y.Liu.ACSnano.2014,8,1609-1618)，对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐作为一类典型的具有扭转的分子内电荷转移的分子，当被限制结构时则会发出强烈的荧光，参见：Y.-M.Zhang,X.-J.Zhang,X.Xu,X.-N.Fu,H.-B.Hou,Y.Liu,J.Phys.Chem.B 2016,120,3932-3940。而目前制备荧光可调水凝胶的方法多局限于重金属对环境污染较为严重，亦或荧光单元的植入在凝胶形成之前，而不能方便的实现荧光可调。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种溶胀性能优异，即在水中充分溶胀后能达到自然脱水状态凝胶质量的43倍的水凝胶的制备方法以及通过溶胀和正交识别获得深蓝色经由白色渐变为黄色的荧光水凝胶的方法，该方法使用纯有机材料并且在凝胶形成之后植入发色团可以非常方便的实现荧光的调节。
本发明提供的溶胀性能优异的水凝胶是由丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷以及磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐聚合而成；而这种荧光可调的聚丙烯酰胺类水凝胶，通过金刚烷基团和四苯乙烯环糊精、吡啶盐与磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的正交识别可以得到发出深蓝色、黄色以及白色荧光的水凝胶。
本发明的技术方案：
一种溶胀性能优异的水凝胶，由丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷以及磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐、羟基环己基苯基酮在质量比为30：1：4：2：1的条件下经365纳米光照引发发生化学反应，生成聚丙烯酰胺类化合物，其基本构筑基元的结构如下所示：
一种所述溶胀性能优异的水凝胶制备方法，步骤如下：
1)将磺化杯[4]芳烃四钠盐、氢氧化钠、溴丙烯加入水和二甲基亚砜的混合溶液中，于40～60℃条件下搅拌24～36小时。其中，磺化杯[4]芳烃四钠盐、氢氧化钠、溴丙烯的质量比为1：1：4，水和二甲基亚砜的体积比为1：4，反应物与溶剂的质量比为1：5。冷却后，向反应体系中加入适量甲醇至大量沉淀析出，过滤，将滤饼重新溶解于适量水中，并将不溶物过滤除去，滤液中加入甲醇得到过量沉淀，重复多次该操作以除去过量的溴化钠。采用中低压反向柱层析色谱，在水和乙腈体积比为4：1的混合溶液极性下即可获得磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐；
2)将丙烯酰胺：甲叉丙烯酰胺：丙烯酰胺金刚烷：磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐：羟基环己基苯基酮按投料质量比为30：1：4：2：1溶于适量二甲基亚砜中，在光引发剂存在条件下，经过365纳米光照2小时可得到相应聚合物，将所得聚丙烯酰胺类凝胶浸泡于大量水中48小时进行充分的溶剂置换以及溶胀得到充分溶胀的聚丙烯酰胺类水凝胶。
一种深蓝色经由白色渐变为黄色的荧光水凝胶的制备方法，步骤如下：
1)深蓝色荧光的聚丙烯酰胺类水凝胶(A)的制备，
可通过直接将以上得到的聚丙烯酰胺类水凝胶I自然失水后浸泡到四苯乙烯环糊精(TPECD)水溶液中充分溶胀24～48小时，通过金刚烷基团和环糊精单元的键合限制四苯乙烯的分子内旋转即可获得，其中所用聚丙烯酰胺类水凝胶I中聚合物质量与四苯乙烯溶液的质量比为1：50～200，四苯乙烯环糊精溶液的浓度为5E-5～5E-4mol/L；
2)黄色荧光的聚丙烯酰胺类水凝胶(B)的制备，
可通过直接将以上得到的聚丙烯酰胺类水凝胶I自然失水后浸泡到对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐(DASPI)水溶液中充分溶胀24～48小时，通过磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐与对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的静电相互作用吸附吡啶盐分子限制其分子内电荷转移过程即可获得，其中所用聚丙烯酰胺类水凝胶I中聚合物质量与对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐溶液的质量比为1：50～200，对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的浓度为5E-4～5E-3mol/L；
3)白色荧光的聚丙烯酰胺类水凝胶(C)的制备，
通过将以上得到的聚丙烯酰胺类水凝胶I自然失水后浸泡到四苯乙烯环糊精和对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的混合溶液中，通过金刚烷基团和四苯乙烯环糊精、对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐与磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的正交识别可以分别得到深蓝色经由白色渐变为黄色的荧光水凝胶，其中其中所用聚丙烯酰胺类水凝胶I中聚合物质量与混合溶液质量比为1：50～200，四苯乙烯环糊精溶液的浓度为5E-5～5E-4mol/L；对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的浓度为5E-5～5E-4mol/L，其中四苯乙烯环糊精与对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的摩尔浓度比例为10:1时即可获得白光水凝胶。
本发明的机理及产品特性：
在光照条件下，丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷、磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐发生聚合反应，形成亲水性良好的三维网状结构，锁住大量水分形成溶胀性能优异的水凝胶。通过聚合物链上金刚烷基团和四苯乙烯环糊精分子的有效键合，限制了四苯乙烯的分子内旋转，即可得到具有深蓝色荧光特性的水凝胶；而通过聚合物链上磺化杯[4]芳烃钠盐与对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐键合作用限制了染料扭曲的分子内电荷转移，即可得到具有橙黄色荧光特性的水凝胶；而通过金刚烷基团和四苯乙烯环糊精、吡啶盐与磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的正交识别即可得到发出白色荧光的水凝胶。
本发明的优点是：利用磺化杯[4]芳烃钠盐的亲水性优势，通过简单修饰上丙烯基基团，直接参与丙烯酰胺的聚合，即可得到溶胀性能优异的水凝胶，通过简单调节磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的比例则可方便的调节水凝胶的溶胀性能；直接将水凝胶浸泡到一定浓度、一定比例的四苯乙烯环糊精和对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐水溶液中，通过金刚烷基团和四苯乙烯环糊精、吡啶盐与磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的正交识别即可得到发出深蓝色、橘黄色以及白色荧光的水凝胶。该方法具有原料易得、操作简单的优点，是一种方便有效的制备溶胀性能优异的水凝胶的方法；同时该水凝胶通过超分子识别作用可以诱导出四苯乙烯以及吡啶盐的荧光得到荧光可调的水凝胶，因此该水凝胶在材料领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的合成路线图。
图2为磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的核磁氢谱谱图。
图3为磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的核磁碳谱谱图。
图4为三种聚丙烯酰胺水凝胶(I、II、III)以及无交联剂的聚丙烯酰胺聚合物(IV)的合成路线图。
图5为聚丙烯酰胺聚合物(IV)的核磁氢谱谱图。
图6为聚丙烯酰胺水凝胶(I)自然失水晾干形成的干凝胶以及三种聚丙烯酰胺水凝胶(I、II、III)在水中充分溶胀后的照片。
图7为聚丙烯酰胺水凝胶(I)自然失水晾干形成的干凝胶以及三种聚丙烯酰胺水凝胶(I、II、III)在水中充分溶胀后的质量及其凝胶因子百分含量列表。
图8为聚丙烯酰胺水凝胶(I)自然失水晾干后形成的干凝胶照片(a)以及冷冻干燥后形成的干凝胶照片和扫描电镜图(b)。
图9为不同含量磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的聚丙烯酰胺水凝胶在水中充分溶胀后的照片。
图10为图9中不同含量磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的聚丙烯酰胺水凝胶在水中充分溶胀后的直径、质量及其凝胶因子百分含量列表。
图11为聚丙烯酰胺水凝胶(I)的动态频率扫描曲线曲线。
图12为聚丙烯酰胺水凝胶(I)的动态应变扫描曲线。
图13为聚丙烯酰胺水凝胶(I)及其与四苯乙烯环糊精，对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐正交识别示意图；四苯乙烯环糊精及其对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的结构式。
图14为聚丙烯酰胺水凝胶(I)在不同比例四苯乙烯环糊精以及对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐水溶液中的归一化荧光发射谱图，自上而下的溶液摩尔浓度比例为(1:0，50:1，10:1，5:1，0:1)。
图15为四苯乙烯环糊精水溶液以及聚丙烯酰胺水凝胶(I)在四苯乙烯环糊精水溶液中充分溶胀后的归一化荧光发射谱图。
图16为聚丙烯酰胺水凝胶(I)在不同比例四苯乙烯环糊精以及对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐水溶液中充分溶胀后的CIE图，自下而上的溶液摩尔浓度比例为(1:0，50:1，10:1，5:1，0:1)。
图17为聚丙烯酰胺水凝胶(I)在四苯乙烯环糊精水溶液中充分溶胀后的荧光寿命图。
图18为聚丙烯酰胺水凝胶(I)在对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐水溶液中充分溶胀后的荧光寿命图。
具体实施方式
实施例1：
一种溶胀性能优异的聚丙烯酰胺类水凝胶，由丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷以及磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐投料质量比为30：1：4：2聚合而成，其构筑基元的结构如下所示：
以上所述溶胀性能极佳的聚丙烯酰胺类水凝胶的制备方法是：将丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷以及磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐在羟基环己基苯基酮的引发下由365纳米光照发生化学反应，生成聚丙烯酰胺类化合物，步骤如下：
图1为磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的合成路线图。将磺化杯[4]芳烃四钠盐(1g)、氢氧化钠(1g)、溴丙烯(4g)加入水(5ml)和二甲基亚砜(25ml)的混合溶液中，于50℃条件下搅拌24小时。冷却后，向反应体系中加入适量甲醇至大量沉淀析出，过滤，将滤饼重新溶解于适量水中，并将不溶物过滤除去，滤液中加入甲醇得到过量沉淀，重复多次该操作以除去过量的溴化钠。采用中低压反向柱层析色谱，在水和乙腈体积比为4：1的混合溶液的极性下即可获得到磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐，产率70％。
图2和图3分别为磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的核磁氢谱谱图以及核磁碳谱谱图。如图2所示，1H NMR(400MHz,D2O):δ7.27(s,8H),6.33(dd,J＝9.7,6.6Hz,4H),5.21(dd,J＝33.2,12.7Hz,8H),4.54(s,8H),4.41(t,J＝11.6Hz,4H),3.37(d,J＝13.2Hz,4H)；如图3所示，13C NMR(101MHz,D2O):δ157.80(s),137.34(s),135.19(s),134.91(s),125.92(s),118.55(s),76.11(s),31.18(s)。
图4为三种聚丙烯酰胺水凝胶(I、II、III)以及无交联剂的聚丙烯酰胺聚合物(IV)的合成路线图。
将各烯烃类原料溶于1ml二甲基亚砜中，在光引发剂存在条件下，经过365纳米光照2小时可得到相应聚合物。其中所述各烯烃类原料是：
聚丙烯酰胺凝胶(I)中丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷、磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐、羟基环己基苯基酮的投料质量为150、5、20、10、5mg；
聚丙烯酰胺凝胶(II)中丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷、羟基环己基苯基酮的投料质量为150、5、20、5mg；
聚丙烯酰胺凝胶(III)中丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐、羟基环己基苯基酮的投料质量为150、5、10、5mg；
聚丙烯酰胺(IV)中丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷、磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐、羟基环己基苯基酮的投料质量为150、20、10、5mg。
将所得聚丙烯酰胺类凝胶(I、II、III)浸泡于大量水中48小时进行充分的溶剂置换以及溶胀得到充分溶胀的聚丙烯酰胺类水凝胶。无交联剂的聚丙烯酰胺聚合物(IV)透析5天，收集透析袋内液，旋转蒸发干燥除水得无交联剂的聚丙烯酰胺聚合物(IV)。
图5为聚丙烯酰胺聚合物(IV)的核磁氢谱谱图。从低场区出峰可以看出聚丙烯酰胺聚合物中确实含有磺化杯[4]芳烃钠盐。
图6和图7为聚丙烯酰胺水凝胶(I)自然失水晾干形成的干凝胶以及三种聚丙烯酰胺水凝胶(I、II、III)在水中充分溶胀后的照片、直径、质量及其凝胶因子。从照片可以看出水凝胶(I)的溶胀性能最优，充分溶胀后的直径能达到4.2厘米是其对应干凝胶的3.5倍，质量达到了10.7克是其对应干凝胶的43倍，对应凝胶因子比例则从74％溶胀到了1.73％；而水凝胶(II)和水凝胶(III)相比于水凝胶(I)分别缺失了磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐以及丙烯酰胺金刚烷凝胶组分，它们的溶胀性能则劣于水凝胶(I)。综上所述、磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐以及丙烯酰胺金刚烷对于水凝胶的溶胀有着正效应。
图8为聚丙烯酰胺水凝胶(I)自然失水晾干后形成的干凝胶照片(a)以及冷冻干燥后形成的干凝胶照片、照片局部区域放大图和扫描电镜形貌图(b)，从图片和SEM均能看出冷冻干燥后的干凝胶上孔洞的分布，表明了网状结构的溶胀锁水性能。
图9和图10为不同含量磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的聚丙烯酰胺水凝胶在水中充分溶胀后的照片以及对应的直径、质量和凝胶因子百分含量列表。在1ml二甲基亚砜中，丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷、羟基环己基苯基酮的投料质量分别为150、5、20、5mg时，磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐质量依次为0、5、10、15mg时，所形成凝胶充分溶胀后的直径从2.6厘米到5.5厘米，而质量则从3.3克增加到了24.2克。数据表明磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐对于水凝胶的溶胀有着非常重要的作用。
图11为在1％的应变条件下的动态频率扫描曲线，如图所示频率在0.1-100rad/s之间时，储能模量一直都是大于损耗模量的，而且储能模量和耗散模量的大小相当，说明在此范围内，能够保持其胶凝结构，该水凝胶是相对于频率变化稳定的材料。
图12为聚丙烯酰胺水凝胶(I)的动态应变扫描曲线，如图所示、应变小于200％时，水凝胶(I)的储能模量一直大于耗能模量，说明在该条件下水凝胶的结构得以保持。而超过这一应变后，储能模量相对于耗能模量迅速上升，超过1000％的应变后，耗能模量开始大于储能模量，凝胶的网络结构遭到破坏，凝胶结构崩解。
实施例2：
一种荧光可调的聚丙烯酰胺类水凝胶(I)，通过金刚烷基团和四苯乙烯环糊精、吡啶盐与磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的正交识别可以得到发出深蓝色、橘黄色以及白色荧光的水凝胶。
图13为聚丙烯酰胺水凝胶(I)及其与四苯乙烯环糊精，对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐正交识别示意图，通过金刚烷基团和环糊精单元的键合限制四苯乙烯的分子内旋转可以得到深蓝色荧光水凝胶；通过磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐与对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的静电相互作用吸附吡啶盐分子限制其分子内电荷转移过程可以得到黄色荧光水凝胶；通过金刚烷和环糊精、吡啶盐与磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的正交识别可以得到白色荧光的水凝胶。
图14为聚丙烯酰胺水凝胶(I)在不同比例四苯乙烯环糊精以及对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐水溶液中的归一化荧光发射谱图，自上而下的溶液摩尔浓度比例为(1:0，50:1，10:1，5:1，0:1)，450纳米处的荧光发射峰表明凝胶中四苯乙烯发色团的存在，而590纳米处的荧光发射峰表明凝胶中对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐发色团的存在，当两处发射峰强度相当时则表现出白色荧光。
图15为四苯乙烯环糊精水溶液以及聚丙烯酰胺水凝胶(I)在四苯乙烯环糊精水溶液中充分溶胀后的归一化荧光发射谱图，可以看出凝胶态的发光有着16纳米的蓝移，表明水凝胶中金刚烷和环糊精确实存在键合作用。
图16为聚丙烯酰胺水凝胶(I)在不同比例四苯乙烯环糊精以及对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐水溶液中充分溶胀后的CIE图，自下而上的溶液摩尔浓度比例为(1:0，50:1，10:1，5:1，0:1)。图中表明随着二者比例的变化可以发出深蓝光(0.16，0.16)、白光(0.33，0.29)及黄光(0.51，0.41)。
图17为聚丙烯酰胺水凝胶(I)在四苯乙烯环糊精水溶液中充分溶胀后的荧光寿命图。由于四苯乙烯分子所处微环境的差异使其表现出两个寿命，分别为2.43纳秒和6.25纳秒，所占比例分别为32.86％和67.14％，其加权平均值为4.99纳秒。
图18分别为聚丙烯酰胺水凝胶(I)在对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐水溶液中充分溶胀后的荧光寿命图。由于对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐分子是一种典型的具有扭转的分子内电荷转移作用的分子，当受限分子被激发时时，其受激电子会跃迁到本征激发态和分子内电荷转移激发态两个态致使其表现出两个寿命，分别为0.93纳秒和4.07纳秒，所占比例分别为76.14％和23.86％，其加权平均值为1.68纳秒。

Claims (3)

1.一种溶胀性能优异的水凝胶，即所述水凝胶在水中充分溶胀后能达到自然脱水状态凝胶质量的43倍，该水凝胶由丙烯酰胺、甲叉丙烯酰胺、丙烯酰胺金刚烷以及磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐、羟基环己基苯基酮在质量比为30：1：4：2：1的条件下经365纳米光照引发发生化学反应，生成的聚丙烯酰胺类化合物锁水膨胀而成，其基本构筑基元的结构如下所示：
2.一种权利要求1所述的溶胀性能优异的水凝胶制备方法，步骤如下、
1)将磺化杯[4]芳烃四钠盐、氢氧化钠、溴丙烯加入水和二甲基亚砜的混合溶液中，于40～60℃条件下搅拌24～36小时，其中磺化杯[4]芳烃四钠盐、氢氧化钠、溴丙烯的质量比为1：1：4，水和二甲基亚砜的体积比为1：4，反应物与溶剂的质量比为1：5；冷却后，向反应体系中加入甲醇至大量沉淀析出，过滤，将滤饼重新溶解于水中，并将不溶物过滤除去，滤液中加入甲醇得到过量沉淀，重复多次该操作以除去过量的溴化钠；采用中低压反向柱层析色谱，在水和乙腈体积比为4：1的混合溶液的极性下得到磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐；
2)将丙烯酰胺：甲叉丙烯酰胺：丙烯酰胺金刚烷：磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐：羟基环己基苯基酮按投料质量比为30：1：4：2：1溶于二甲基亚砜中，在光引发剂存在条件下，经过365纳米光照2小时得到相应聚合物聚丙烯酰胺类凝胶；将所得聚丙烯酰胺类凝胶浸泡于水中48小时进行充分的溶剂置换以及溶胀得到充分溶胀的聚丙烯酰胺类水凝胶。
3.一种权利要求1所述的溶胀性能优异的水凝胶在制备荧光水凝胶中的应用，步骤如下：
1)深蓝色荧光的聚丙烯酰胺类水凝胶(A)的制备，通过直接将权利要求1所述的溶胀性能优异的水凝胶自然失水后浸泡到四苯乙烯环糊精水溶液中充分溶胀24～48小时，通过金刚烷基团和环糊精单元的键合限制四苯乙烯的分子内旋转即可获得，其中所用聚丙烯酰胺类水凝胶中聚合物质量与四苯乙烯溶液的质量比为1：50～200，四苯乙烯环糊精溶液的浓度为5E-5～5E-4mol/L；
2)黄色荧光的聚丙烯酰胺类水凝胶(B)的制备，通过直接将权利要求1所述的溶胀性能优异的水凝胶自然失水后浸泡到对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐水溶液中充分溶胀24～48小时，通过磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐与对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的静电相互作用吸附吡啶盐分子限制其分子内电荷转移过程即可获得，其中所用聚丙烯酰胺类水凝胶中聚合物质量与对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐溶液的质量比为1：50～200，对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的浓度为5E-4～5E-3mol/L；
3)白色荧光的聚丙烯酰胺类水凝胶(C)的制备，通过将权利要求1所述的溶胀性能优异的水凝胶自然失水后浸泡到四苯乙烯环糊精和对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的混合溶液中，通过金刚烷基团和四苯乙烯环糊精、对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐与磺化杯[4]芳烃四丙烯钠盐的正交识别可以分别得到深蓝色经由白色渐变为黄色的荧光水凝胶，其中所用聚丙烯酰胺类水凝胶中聚合物质量与混合溶液质量比为1：50～200，四苯乙烯环糊精溶液的浓度为5E-5～5E-4mol/L；对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的浓度为5E-5～5E-4mol/L，其中四苯乙烯环糊精与对(二甲氨基)-苯乙烯基-甲基吡啶盐的摩尔浓度比例为10:1时即可获得白光水凝胶。
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