CN111982840A - 一种快速检测环境中湿度的蚕丝蛋白一维光子晶体传感器 - Google Patents

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马少敏
靳秀一
姜岚
周锦霞
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Abstract

本发明涉及一种快速检测环境中湿度的蚕丝蛋白一维光子晶体传感器，属于光学领域。本发明的技术方案主要包括：选择20mm×20mm大小的正方形，跨度为760nm，台阶高度70nm，台阶宽度350nm的光子晶体条纹模板，在光子晶体条纹模板上滴加2mL提取的蚕丝蛋白溶液，将其置于80℃干燥箱中干燥30min，干燥后揭下即得一维光子晶体传感器。本发明所制备的一维光子晶体传感器，可以根据周围环境中湿度的变化发生反射波长峰的改变，从而达到检测环境湿度的目的。

Description

一种快速检测环境中湿度的蚕丝蛋白一维光子晶体传感器
技术领域
本发明涉及光学领域，涉及由于结构变化而引起传感器光谱反射波长的改变，以实现快速检测环境中湿度的方法，具体涉及一种快速检测环境中湿度的蚕丝蛋白一维光子晶体传感器。
背景技术
在日常生活中，湿度是许多领域都会涉及到的一个重要参数，包括天气预报、农业生产、化工生产、食品储存等，湿度检测在工业和生活中具有重要意义。因此，开发一种制备方法简易且使用便携的传感装置就显得尤为重要。光子晶体是由两种或者两种以上不同折射率介质材料周期性排列形成的，对光具有选择性反射。光子晶体传感器是利用光子晶体特性制备成的传感器，可实现高灵敏度的检测，制备形成的材料有无机物、有机高分子材料等。
发明内容
本发明提供了一种快速检测环境中湿度的蚕丝蛋白一维光子晶体传感器。利用不同的湿度条件对一维光子晶体传感器膜响应的差异，致使一维光子晶体传感器光谱波长发生变化，从而实现对环境中湿度的检测。
本发明的技术方案如下：选择20mm×20mm大小的正方形，跨度为760nm，台阶高度70nm，台阶宽度350nm的光子晶体条纹模板，在光子晶体条纹模板上滴加2mL提取的蚕丝蛋白溶液，将其置于80℃干燥箱中干燥30min，干燥后揭下即得一维光子晶体传感器。
湿度的检测：将制备好的一维光子晶体传感器分别置于不同湿度条件下，稳定10min后观察一维光子晶体传感器颜色变化情况，并用光谱仪记录反射波长的变化。
检测原理为：当白色入射光照射在传感器表面时，反射光的波长符合光栅方程：mλ＝d(sinθ1+θD)，其中m为衍射级数，λ为衍射光波长，θ1为光源入射角；θD为反射角；d为光栅周期。水分子蒸汽与蚕丝蛋白传感器结合，产生溶胀作用，改变光栅周期d，从而影响反射波长λ。
蚕丝蛋白是从蚕茧中提取的蛋白，具有无毒性、无刺激性和优良的生物相容性等，形成的光子晶体薄膜具有物理和化学稳定性好的特点，且具有良好的光学性质，因此是一种具有实用性的生物材料。用蚕丝蛋白制备的光子晶体传感器，可以实现廉价、便携、直观的检测，能够大大降低检测成本。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明选用的材料是从蚕茧纤维中提取的天然蚕丝蛋白，具有无毒、可降解等特性，属于环境友好型材料；使用蚕丝蛋白膜一维光子晶体法测定湿度，是由于蚕丝蛋白内部含有大量的氨基和羧基，与水蒸汽作用十分明显，从而发生蚕丝蛋白结构上的溶胀作用(台阶高度及跨度等发生变化)，而这微小的体积变化，会导致光子晶体反射波长发生明显改变，水分子越多，作用越明显，反射波长与水蒸汽浓度呈线性关系，从而可以测量未知样品的湿度；
(2)本发明制备的传感器膜大小仅20mm×20mm，方便携带，使用便捷，且具有一定机械强度，有利于长期保存；
(3)本发明制备的传感器膜检测方式是根据颜色变化检测环境中湿度，操作简单，检测时间短。
附图说明
图1为一维光子晶体传感器电镜图；
图2为不同湿度条件下反射光谱图；
图3为不同湿度条件下差示反射光谱显示的波长位移变化；
图4为不同湿度条件的重现性；
图5为不同比率水蒸汽与相应条件下波长的线性关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但本发明不以任何形式受限于实施例内容。实施例中所述试验方法如无特殊说明，均为常规方法；如无特殊说明，所述试剂和生物材料，均可从商业途径获得。
实施例1一维光子晶体传感器的制备
在台阶高度为70nm，台阶宽度350nm，跨度760nm的光子晶体条纹模板上滴加2mL提取的蚕丝蛋白溶液，将其置于80℃干燥箱中干燥30min，干燥后揭下使用，其微观形貌图如图1所示。
所述的蚕丝蛋白的提取方法为：
蚕茧的脱胶：目的是将蚕茧外围包覆的丝胶脱去，暴露出内部的丝素蛋白。脱胶分两次进行，第一次脱胶做法是将0.7wt％碳酸钠盐溶液加热至沸腾，取适用的蚕茧壳放入沸腾的溶液中，持续煮沸0.5h，将其取出洗净拧干；第二次脱胶与第一次脱胶步骤相同。
蚕丝蛋白的溶解：将两次脱胶过的蚕丝蛋白用去离子水洗净、干燥后，溶解在50wt％氯化钙溶液中，制备蚕丝蛋白溶液。整个溶解过程保证氯化钙溶液处于微沸状态，并不断搅拌以确保丝素完全溶解。
透析：待蚕丝蛋白溶解成溶液后，将其倒入处理好的透析袋中，流水循环透析，透析掉其中的Ca2+等杂质离子，透析时间为72小时，得到所需要的蚕丝蛋白溶液。
调节蚕丝蛋白浓度：采用考马斯亮蓝溶液法测定蚕丝蛋白的浓度，根据蛋白的浓度，调节蚕丝蛋白质的浓度到5％。
实施例2湿度检测
将制备好的一维光子晶体传感器分别置于不同湿度环境下10min，待光谱稳定后，用光谱仪记录膜反射光谱变化。如图2为不同湿度条件下的反射光谱变化，由于蚕丝蛋白含有大量的羟基和羧基，对水的影响较为敏感，从图中可以看出，随着湿度的增大(波峰自上而下依次为0％，20％，40％，60％，80％，100％)，光谱波长逐渐发生红移，光谱由最初位置561nm红移至656nm，这是由于蚕丝蛋白传感器膜在湿度影响下会发生不同程度的溶胀，致使膜的有效折射率发生改变，从而导致波长变化。为了定量测定蒸汽中水的含量，将样品的反射峰进行差分光谱处理，结果如图3所示，其中纵坐标ΔR＝R-R0，R0为在干燥空气中的反射率，R为暴露于不同湿度环境中的反射率，从图可以看出暴露在不同湿度下表现出相似的光谱特征，随着湿度的增加ΔR也随之增大(湿度自上而下依次为100％，80％，60％，40％，20％)。为了考察膜的重复利用性，对所制备的传感器膜进行了重复实验测定，结果见图4。通过几次往复实验发现，在同一湿度条件下，其波长移动变化相差不大，可以作为判断不同湿度条件的依据。为了更好的说明不同湿度与光谱波长位移的关系，进行了线性关系处理，结果如图5所示，湿度x(百分数)与波长y(nm)位移呈现良好的线性关系，线性方程为y＝93.31x+560.8202，线性相关性为r2＝0.9825，检测相对较为灵敏。综合以上结果，说明该传感器在检测湿度方面具有潜在的应用价值。
实际样品的测定：在测定的空间内通入50％的水蒸气，按照本发明的方法进行测定，得到反射光谱的最大反射波长为608nm,按照公式计算得到湿度值为50.6％，测定时间为10分钟，得到的结果与实际值基本相符，表明本方法可以快速准确测定空气湿度。

Claims (1)

1.一种快速检测环境中湿度的蚕丝蛋白一维光子晶体传感器，其特征在于，制备方法包括如下步骤：选择20mm×20mm大小的正方形，跨度为760nm，台阶高度70nm，台阶宽度350nm的光子晶体条纹模板，在光子晶体条纹模板上滴加2mL蚕丝蛋白溶液，将其置于80℃干燥箱中干燥30min，干燥后揭下即得一维光子晶体传感器。
CN202010757441.1A 2020-07-31 2020-07-31 一种快速检测环境中湿度的蚕丝蛋白一维光子晶体传感器 Pending CN111982840A (zh)

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