CN112987340A - 一种色盲色弱矫正镜及其制备方法 - Google Patents

一种色盲色弱矫正镜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种色盲色弱矫正镜及其制备方法，属于光学材料领域。所述矫正镜包括基底镜片和混合在该基底镜片中的纳米颗粒，所述纳米颗粒包括能够产生表面等离子体的金属纳米核和包裹在该金属纳米核表面的薄膜壳层，所述薄膜壳层通过自聚合反应包裹在金属纳米核表面，金属纳米核的尺寸预先设定，所述金属纳米核的尺寸与矫正镜的目标待滤除光谱区间相对应。本发明能够实现通过调节掺杂进入基底镜片中的纳米颗粒尺寸的方法，在光谱上能实现精准的窄带吸收，从而解决现有色盲矫正眼镜无法根据具体的色盲情况实现精确滤色，色觉矫正效果有限的技术问题。

Description

一种色盲色弱矫正镜及其制备方法
技术领域
本发明属于光学材料领域，更具体地，涉及一种色盲色弱矫正镜及其制备方法。
背景技术
目前临床上对色盲色弱患者暂时没有成熟的根治方法，因此以佩戴滤色片为主的色盲色弱矫正眼镜是绝大多数色盲色弱患者辨别颜色的唯一选择。而现有的色盲色弱矫正眼镜主要是采用镀膜和添加色素的方法，滤除患者分辨不清的波段，增强色彩对比度。镀膜法通过在镜片上进行特殊镀膜，产生截止波长的作用，对长波长者可透射，对短波长者发生散射，从而达到矫正色觉障碍的效果。这种镀膜方法虽然使得佩戴者可以辨认原本辨认不清的色盲鉴别图。但是除了分辨不清的光波段外，这层镀膜还滤除了大量的其他短波长光，会较大地影响实际的色觉尤其是蓝色色觉体验。而添加色素的方法虽然可以通过色素的化学键对特定波长的光进行特征性吸收，实现窄带滤波的效果。但是色素的吸收峰位置无法自由调节，有褪色的现象，并且由于其潜在的致癌性等安全问题，在隐形眼镜等接触式眼镜中应用十分受限。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种色盲色弱矫正镜及其制备方法，其目的在于通过调节掺杂进入基底镜片中的纳米颗粒尺寸的方法，调节矫正镜所吸收的光谱区间的位置，在光谱上能实现精准的窄带吸收，由此解决现有色盲矫正眼镜的无法根据具体的色盲情况实现精确滤色，色觉矫正效果有限的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种色盲色弱矫正镜，所述矫正镜包括基底镜片和混合在该基底镜片中的纳米颗粒，所述纳米颗粒包括能够产生表面等离子体的金属纳米核和包裹在该金属纳米核表面的薄膜壳层，所述薄膜壳层通过自聚合反应包裹在金属纳米核表面，金属纳米核的尺寸预先设定，所述金属纳米核的尺寸与矫正镜的目标待滤除光谱区间相对应。
优选地，所述金属纳米核为贵金属，优选地，所述金属纳米核为金或银。
优选地，所述纳米颗粒中金属纳米核的尺寸与所述矫正镜最大吸收波长的大小成正相关，所述金属纳米核的尺寸越大，所述矫正镜的最大吸收波长越大，其中，矫正镜的最大吸收波长处于目标待滤除光谱区间的中心波长位置。
优选地，所述金属纳米核的尺寸为20～70nm，所述矫正镜的最大吸收波长为535nm～580nm；优选地，所述薄膜壳层的厚度为2～10nm。
优选地，所述薄膜壳层为二氧化硅壳层、二氧化钛壳层、多巴胺壳层或碳壳层。
优选地，所述基底镜片的材料为树脂、玻璃、硅水凝胶或HEMA材料；优选地，所述基底镜片的材料为聚二甲基硅氧烷或HEMA-NVP共聚物。
按照本发明的另一个方面，提供了一种色盲色弱矫正镜的制备方法，所述方法包括下列步骤：
(1)确定目标待滤除光谱区间，利用样本数据库且基于使矫正镜的最大吸收波长处于目标待滤除光谱区间的中心波长位置的原则，确定纳米颗粒中金属纳米核的尺寸；所述利用样本数据库包括金属纳米核的尺寸与矫正镜的最大吸收波长的对应关系；
(2)将确定了金属纳米核尺寸的所述纳米颗粒与基底镜片前驱体溶液混合，将混合后的混合溶液倒入镜片模具，固化后得到所述矫正镜。
其中，可以通过调整纳米颗粒与基底镜片前驱体溶液(例如水凝胶前驱体溶液)的比例来调整制得的矫正眼镜的吸光能力的强弱，以适应不同用户的需求。基底镜片前驱体溶液量越多制得的矫正镜吸光颗粒的浓度越低，更适合轻症用户；而基底镜片前驱体溶液的量越少，制得的矫正镜的吸光颗粒的浓度越高，越适合重症用户。
优选地，所述步骤(2)中将所述纳米颗粒与基底镜片前驱体溶液混合时，所述纳米颗粒在所述基底镜片前驱体溶液中的浓度为0.0001～0.1mol/L。
优选地，所述样本数据库通过下列方法得到：获取金属纳米核的尺寸与矫正镜的最大吸收波长的对应表，将该对应表作为样本数据库。
优选地，步骤(2)中通过超声将纳米颗粒与基底镜片前驱体溶液混合均匀。
优选地，所述纳米颗粒中金属纳米核为金，所述薄膜壳层为二氧化硅壳层，所述纳米颗粒通过下列步骤制备得到：
(101)将金纳米核分散到表面活性剂溶液中超声分散均匀，该表面活性剂溶液可以为表面活性剂CTAB的水溶液、酒精等。加入低浓度的含有H-S键的硅烷偶联剂，例如KH590溶液，发生取代反应，使硅烷偶联剂与金纳米核表面连接形成Au-S键，将原本在金纳米核表面的表面活性剂形成的化学键取代，在Au纳米颗粒表面形成Au-S键，而偶联剂中的硅-烷氧基键仍与S原子相连接，通过这一步取代反应将硅烷偶联剂分子代替表面活性剂连接在了金纳米颗粒表面。反应机理如下式所示：
Figure BDA0003002389870000031
(102)加入500-5000ul体积分数为20％的正硅酸四乙酯的乙醇溶液，并加入质量分数为25％的氨水调节溶液PH至10-11，使硅-烷氧基键水解为硅-氧-硅键，得到金属纳米核为金，且薄膜壳层为二氧化硅壳层的纳米颗粒。其中，通过调整加入的正硅酸四乙酯与纳米颗粒的比例以及反应时间，可以调节金纳米颗粒表面包裹的二氧化硅壳层的厚度，正硅酸四乙酯的比例越大，反应时间越长，对应的包裹的壳层厚度就越厚。
其中，硅-烷氧基键水解过程如下式所示：
Figure BDA0003002389870000041
TEOS的水解过程
Figure BDA0003002389870000042
SiO2在金纳米颗粒表面的聚合过程
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
(1)本发明提供的矫正镜在基底镜片中混合纳米颗粒，该纳米颗粒中金属纳米核能够产生表面等离子体，该表面等离子体会改变金属纳米核的局域共振模式，在光谱上产生特征性的共振吸收峰(最大吸收波长)，吸收峰位置和金属纳米核的尺寸相关。而没有表面等离子体的纳米颗粒比如二氧化硅的纳米颗粒就只能依靠散射效应散射短波长光，无法做到本发明中特征性的窄带吸收。因此，本发明提供的矫正镜通过调节金属纳米核的尺寸，能够调节矫正镜的目标待滤除光谱区间。从而可以实现有针对性地对不同的目标待滤除光谱区间(即对不同程度的色盲色弱用户)制备精确的矫正镜，以实现精准滤除易混淆光谱区间进行矫正并保留最佳色觉体验的目的。
(2)本发明提供的矫正镜中的纳米颗粒，在金属纳米核表面包裹了薄膜壳层，增强了金属纳米核的稳定性，避免了金属纳米核之间的团聚。因此可以在各种眼镜材料固化成型前直接将有特征光吸收效果的纳米颗粒与眼镜材料混合后一起固化。制备方法简单，成本低廉；适用材料广；稳定性好；安全无毒生物相容性高，可用于接触式的隐形眼镜，也可用于普通玻璃、树脂或其他镜片材料的镜片眼镜。
(3)本发明提供的矫正镜的制备方法，先确定了目标待滤除光谱区间，再根据该光谱区间选择特定尺寸的纳米颗粒，可以实现定制仅对特定的易混淆光谱区间有较强吸收效果的矫正镜，在帮助色盲色弱用户提高颜色分辨能力的同时，最大程度地保留了用户色觉体验。
附图说明
图1是通过本发明实施例1制备得到的色盲色弱矫正镜的制备方法流程图；
图2是通过本发明实施例1制备得到的色盲色弱矫正镜的结构示意图；
图3是通过本发明实施例1制备得到的色盲色弱矫正镜的TEM图；
图4是通过本发明实施例1-5制备得到的色盲色弱矫正镜的吸光度曲线图；
图5a是正常用户光谱区间示意图；
图5b是绿色弱用户光谱区间示意图；
图5c是红色弱用户光谱区间示意图；
图6是通过本发明实施例1制备得到的色盲色弱矫正镜的照片。
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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本实施例提供了一种色盲色弱矫正镜的制备方法，参见图1，其步骤具体如下：
(1)准备KH590溶液：将20.3ulKH590用酒精定容至10ml备用；准备体积分数为20％的TEOS的乙醇溶液共2ml备用。
(2)在容器中倒入40ml 0.5mmol/L的尺寸为20nm金纳米核分散液，该分散液为CTAB的水溶液，对该分散液超声十分钟使其充分分散后，向容器中加入800ul 0.01mol/L的KH590溶液，室温下用磁力搅拌器3000rpm转速下搅拌五小时使其充分反应在Au纳米核表面形成Au-S键。然后向容器中加入200ul的体积分数为20％的TEOS的乙醇溶液，再滴入适量氨水调整溶液PH为10～11之间，室温下继续搅拌15h使硅-烷氧基键水解为硅-氧-硅键，在金纳米核表面形成二氧化硅壳层，该二氧化硅壳层厚度为2nm，该纳米颗粒结构如图2和图3所示。将得到的包含二氧化硅包裹的金纳米核的反应液用4000rpm速度离心后，取下层沉淀即可得到纳米颗粒。
(3)将纳米颗粒与10mlPDMS通过搅拌使二者充分混合，其中，PDMS购自道康宁公司，型号为DC184。然后超声15min使纳米颗粒在PDMS中分散均匀。将混合后的液体倒入模具，在70℃下加热五小时后将固化成型的PDMS从模具中取出，即可得到色盲色弱矫正镜，该色盲色弱矫正镜的照片如图6所示。
实施例2-5
本实施例2-5提供了一种色盲色弱矫正镜的制备方法，其步骤与实施例1相同，不同之处请参见表1。
表1纳米颗粒的原料参数
金纳米核尺寸
实施例2 35nm
实施例3 50nm
实施例4 60nm
实施例5 70nm
实施例6
本实施例提供了一种色盲色弱矫正镜的制备方法，该方法与实施例1中的步骤(1)和步骤(2)相同，不同之处在于步骤(3)，具体如下：
步骤(3)在另一个容器中加入1.41gHEMA，0.3gNVP，0.03gEGDMA，0.02gAIBN，6g乙二醇，2.16g水，在室温下搅拌半小时使其充分混匀，配成得到HEMA-NVP水凝胶前驱体。然后加入上述纳米颗粒，搅拌使纳米颗粒与溶液充分混匀，超声15min使纳米颗粒在HEMA-NVP水凝胶前驱体中完全分散得到混合溶液，再将该混合溶液倒入模具，在70℃下加热五小时或紫外光催化下使HEMA-NVP水凝胶固化，将固化后的水凝胶从模具中取出即可得到色盲色弱矫正镜。
实施例7
本实施例提供一种色盲色弱矫正镜的制备方法，其制备步骤与实施例1相同，不同之处在于：纳米颗粒在所述基底镜片前驱体溶液中的浓度为0.0001mol/L。
实施例8
本实施例提供一种色盲色弱矫正镜的制备方法，其制备步骤与实施例1相同，不同之处在于：纳米颗粒在所述基底镜片前驱体溶液中的浓度为0.1mol/L。
对根据实施例1-5制备得到的色盲色弱矫正镜进行吸光度测试，利用SolidSpec-3700紫外可见近红外分光光度计，得到吸光度曲线。测试结果如图4以及下表2所示。
表2实施例1-5制备得到的色盲色弱矫正镜性能表
金纳米核尺寸 壳层厚度 矫正镜最大吸收波长
实施例1 20nm 2nm 537nm
实施例2 35 nm 2nm 544nm
实施例3 50 nm 2nm 554nm
实施例4 60 nm 2nm 573nm
实施例5 70 nm 2nm 581nm
从图4和表2结果可以看出，随着矫正镜中金纳米核的尺寸越大，矫正镜最大吸收波长越大，示例性地，该表2可以作为本发明实施例中的样本数据库，其示出了金纳米核尺寸与矫正镜最大吸收波长的一一对应关系。
图5a是正常用户的光谱区间示意，图5b-5c，分别示出了两种不同情况的色盲色弱用户情况，图5b所示是M视锥细胞感光曲线右移，图5c所示是L视锥细胞感光曲线左移，图5b所示的绿色弱用户适合的矫正眼镜的最佳滤除光谱区间在560-570nm之间，而图5c所示的红色弱用户则适合滤除540-550nm光谱区间的矫正眼镜。因此可以看出，不同情况的色盲色弱用户对矫正眼镜的滤除光谱区间的需求是不同的。
实施例9
根据实际情况，本发明实施例9提供了一种色盲色弱矫正镜的制备方法，其包括下列步骤：
(1)通过例如Negal色觉异常检测等精确检测色盲色弱用户情况的方法，确定用户的易混淆光谱区间。该易混淆光谱区间即为目标待滤除光谱区间，利用样本数据库且基于使矫正镜的最大吸收波长处于目标待滤除光谱区间的中心波长位置的原则，确定纳米颗粒中金属纳米核的尺寸；所述利用样本数据库包括金属纳米核的尺寸与矫正镜的最大吸收波长的对应关系。
本实施例中的样本数据库采用表2作为样本数据库，经检测，用户A的易混淆光谱区间为539-549nm，该光谱区间的中心波长位置即为544nm。从表2中可以得到，可以采用尺寸为35nm的金属纳米核来制备矫正镜。
(2)通过实施例6中相同的制备方法制备得到矫正镜，其中，该校正镜中纳米颗粒的金属纳米核尺寸为35nm，二氧化硅薄膜壳层的厚度为2nm。
实施例10
根据实际情况，本发明实施例10提供了一种色盲色弱矫正镜的制备方法，其包括下列步骤：
(1)通过例如Negal色觉异常检测等精确检测色盲色弱用户情况的方法，确定用户的易混淆光谱区间。该易混淆光谱区间即为目标待滤除光谱区间，利用样本数据库且基于使矫正镜的最大吸收波长处于目标待滤除光谱区间的中心波长位置的原则，确定纳米颗粒中金属纳米核的尺寸；所述利用样本数据库包括金属纳米核的尺寸与矫正镜的最大吸收波长的对应关系。
本实施例中的样本数据库采用表2作为样本数据库，经检测，用户A的易混淆光谱区间为568-578nm，该光谱区间的中心波长位置即为573nm。从表2中可以得到，可以采用尺寸为60nm的金属纳米核来制备矫正镜。
(2)通过实施例6中相同的制备方法制备得到矫正镜，其中，该校正镜中纳米颗粒的金属纳米核尺寸为60nm，二氧化硅薄膜壳层的厚度为2nm。结果与讨论：
将实施例9和实施例10制备得到的眼镜分别在其相应的用户上进行使用，测试用户在裸眼和佩戴眼镜的颜色识别成功率，结果如表3所示。
表3用户在裸眼和佩戴眼镜的颜色识别成功率
是否佩戴矫正镜 识别成功率(平均)
裸眼 21％
佩戴矫正镜 92％
可以看出，按照本发明实施例制备的与用户色盲色弱情况相对应的矫正镜，可以显著提高颜色识别成功率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种色盲色弱矫正镜，其特征在于，所述矫正镜包括基底镜片和混合在该基底镜片中的纳米颗粒，所述纳米颗粒包括能够产生表面等离子体的金属纳米核和包裹在该金属纳米核表面的薄膜壳层，所述薄膜壳层通过自聚合反应包裹在金属纳米核表面，金属纳米核的尺寸预先设定，所述金属纳米核的尺寸与矫正镜的目标待滤除光谱区间相对应。
2.如权利要求1所述的矫正镜，其特征在于，所述金属纳米核为贵金属，优选地，所述金属纳米核为金或银。
3.如权利要求1或2所述的矫正镜，其特征在于，所述纳米颗粒中金属纳米核的尺寸与所述矫正镜最大吸收波长的大小成正相关，所述金属纳米核的尺寸越大，所述矫正镜的最大吸收波长越大，其中，矫正镜的最大吸收波长处于目标待滤除光谱区间的中心波长位置。
4.如权利要求3所述的矫正镜，其特征在于，所述金属纳米核的尺寸为20～70nm，所述矫正镜的最大吸收波长为535nm～580nm。
5.如权利要求1所述的矫正镜，其特征在于，所述薄膜壳层为二氧化硅壳层、二氧化钛壳层、多巴胺壳层或碳壳层，所述薄膜壳层的厚度为2～10nm。
6.如权利要求1所述的矫正镜，其特征在于，所述基底镜片的材料为树脂、橡胶、玻璃、硅水凝胶或HEMA材料；优选地，所述基底镜片的材料为聚二甲基硅氧烷或HEMA-NVP共聚物。
7.一种色盲色弱矫正镜的制备方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
(1)确定目标待滤除光谱区间，利用样本数据库且基于使矫正镜的最大吸收波长处于目标待滤除光谱区间的中心波长位置的原则，确定纳米颗粒中金属纳米核的尺寸；所述样本数据库包括金属纳米核的尺寸与矫正镜的最大吸收波长的对应关系；
(2)将确定了金属纳米核尺寸的所述纳米颗粒与基底镜片前驱体溶液混合，将混合后的混合溶液倒入镜片模具，固化后得到所述矫正镜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中将所述纳米颗粒与基底镜片前驱体溶液混合时，所述纳米颗粒在所述基底镜片前驱体溶液中的浓度为0.0001～0.1mol/L。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述样本数据库通过下列方法得到：获取金属纳米核的尺寸与矫正镜的最大吸收波长的对应表，将该对应表作为样本数据库。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述纳米颗粒中金属纳米核为金，所述薄膜壳层为二氧化硅壳层，所述纳米颗粒通过下列步骤制备得到：
(101)将金纳米核分散到表面活性剂溶液中，加入含有H-S键的硅烷偶联剂，发生取代反应，使硅烷偶联剂与金纳米核表面连接形成Au-S键，(102)加入正硅酸四乙酯，并调节溶液PH至10-11，使硅-烷氧基键水解为硅-氧-硅键，得到金属纳米核为金，且薄膜壳层为二氧化硅壳层的纳米颗粒。
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