CN113174652A - 同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用。包括以下步骤：a)称取指定质量的丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂、光引发剂、多个指定荧光波长的量子点，并在100mL去离子水中混合均匀，制得水凝胶光纤纤芯前驱体溶液；b)称取指定质量的丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂和光引发剂，并在100mL去离子水中混合均匀，制得水凝胶光纤包层前驱体溶液；c)将a步骤中制得的水凝胶光纤纤芯前驱体溶液注入同轴打印芯材喷头的导管中；d)将b步骤中制得的水凝胶光纤包层前驱体溶液注入同轴打印包材喷头的导管中；e)在打印的过程中，利用紫外灯进行光固化，制作量子点水凝胶光纤。本发明能够解决现有技术的不足。

Description

同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用
技术领域
本发明涉及量子点柔性光纤技术领域，具体涉及一种同轴打印量子点水凝 胶光纤的方法及多参量传感应用。
背景技术
量子点(Quantum dots)，又称“人造原子”，是把激子在三个空间方向上 束缚住的一种纳米级别半导体，在光电作用下这种半导体会辐射特定频率的光 波，而辐射的光波频率可以通过改变半导体尺寸而变化，因而调节半导体的尺 寸就可以控制其发光频率。同时由于宽而连续的吸收光谱，窄的荧光光谱，抗 光漂白强，量子点已成为荧光传感中重要的指示剂。
目前基于量子点的光纤荧光传感器制作主要有以下几种方法，第一种是制 备量子点光纤预制棒，然后拉丝制备量子点光纤，第二种是将量子点材料灌注 到光子晶体光纤，或将量子点结合在光纤微结构(烧球、拉锥)中，制备量子 点荧光传感器。
但是，第一种制作方法涉及高温，量子点材料的光电特性会受到影响；第 二种方法存在灌注困难，制作的微结构脆弱、且成本很高，无法满足实际应用 需求。而基于柔性材料的量子点光纤制作，采用的方法是利用模具制备空气为 包层的水凝胶光波导，这种方法制备的水凝胶光波导一致性很难保证，同时光 损大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开一种同轴打印量子点水凝胶光纤的方法 及多参量传感应用，能够解决现有技术的不足。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，包括以下步骤
a)称取指定质量的丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂、光引发剂、多个指定荧光 波长的量子点，并在100mL去离子水中混合均匀，制得水凝胶光纤纤芯前驱体 溶液；
b)称取指定质量的丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂和光引发剂，并在100mL去 离子水中混合均匀，制得水凝胶光纤包层前驱体溶液；
c)将a步骤中制得的水凝胶光纤纤芯前驱体溶液注入同轴打印芯材喷头的 导管中；
d)将b步骤中制得的水凝胶光纤包层前驱体溶液注入同轴打印包材喷头的 导管中；
e)在打印的过程中，利用紫外灯进行光固化，制作量子点水凝胶光纤。
优选的技术方案，在所述步骤a中，丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂、光引发 剂和量子点的配比为1-100g：1-100ml：0.01-10g：0.01-10ml：1-10mg。
优选的技术方案，在所述步骤a中，所述的量子点材料为CsPbCl3、CsPbBr3、CsPbI3、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、BaS、AgInS2、NaCl、Fe2O3、 In2O3、InAs、InN、InP、GaAs、GaN、GaS、GaSe、InGaAs、MgS、MgSe、MgTe、 PbS、PbSe、PbTe、Cd(SxSe1-x)、BaTiO3、PbZrO3中至少一者。
优选的技术方案，在所述步骤b中，丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂、光引发 剂的配比为1-100g：1-100ml：0.01-10g：0.01-10ml。
优选的技术方案，在所述步骤a和所述步骤b中，交联剂为N’N亚甲基双 丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯PEGDA中的至少一者，光引发剂为2-羟基-2甲 基苯丙酮、苯甲酰甲酸甲酯中、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦中的至少 一者。
优选的技术方案，在所述步骤e中，同轴打印的芯材喷头直径为0.01-1mm， 包材喷头直径为0.05-2mm。
优选的技术方案，还包括步骤f)选择传统LED光源或者激光作为激励光， 荧光光谱仪作为荧光探测装置并利用波分复用器(WDM)将激发光、光谱仪以及 量子点水凝胶光纤连接，以搭建多参量传感系统，将量子点水凝胶光纤放入待 测环境中进行多参量传感。
本发明公开一种同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，具 有以下优点：
制备方法简单、制作的水凝胶光纤一致性良好，可见光波段光损低，机械 性能优异，能够适合各种复杂环境的应用。通过选择不同荧光波长的量子点， 可实现温度、湿度等多参量的传感测试。同时制作的水凝胶光纤生物相容性好， 通过对量子点进行不同靶向修饰可以实现生物体内原位探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他的附图。
图1是本发明实施例的同轴打印量子点水凝胶光纤制作方法示意图；
图2是本发明实施例的同轴打印量子点水凝胶光纤多参量传感系统示意图；
图3是本发明实施例的量子点水凝胶SEM表征结果；
图4是本发明实施例的量子点水凝胶折射率测试结果；
图5是本发明实施例的量子点水凝胶光纤拉伸性能测试结果；
图6是本发明实施例的量子点水凝胶光纤荧光图谱测试结果；
图7是本发明实施例的不同量子点对温度、湿度参量测试结果。
附图标记：1、芯材喷头；2、包材喷头；3、芯材导管；4、包材导管；5、 紫外固化灯；6、LED光源；7、荧光光谱仪；8、量子点水凝胶光纤；9、波分复 用器(WDM)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实 施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一 部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提 下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7所示，本发明具体包括以下步骤：
a)称取质量比为10：5：0.02：0.05：0.1:0.1的丙烯酰胺、丙烯酸、N’ N亚甲基双丙烯酰胺、2-羟基-2甲基苯丙酮、荧光波长620nm的CdSe/ZnS量子 点、荧光波长532nm的CdSe/ZnS量子点，在100ml去离子水中混合均匀，制得 纤芯前驱体溶液；
b)称取质量比为20：10：0.02：0.05的丙烯酰胺、丙烯酸、N’N亚甲基 双丙烯酰胺、2-羟基-2甲基苯丙酮，在100ml去离子水中混合均匀，制得包层 前驱体溶液；
c)将a)溶液注入同轴打印芯材喷头的导管中；
d)将b)溶液注入同轴打印包材喷头的导管中；
e)在同轴打印过程中，利用紫外灯进行光固化，制得量子点水凝胶光纤(如 图1)。
f)选择传统LED光源作为激励光，荧光光谱仪作为荧光探测装置；利用波 分复用器(WDM)将激发光，光谱仪以及量子点水凝胶光纤连接，将水凝胶光纤 放入待测环境，进行多参量传感(如图2)。
基于同轴打印的量子点水凝胶光纤制备方法及多参量传感的性能测试：
1)量子点水凝胶SEM表征结果
将量子点水凝胶冷冻干燥后，通过SEM进行形貌表征；如图3所示，制备 的水凝胶为多孔结构，且孔径大小一致，分散均匀。该结构有利于水凝胶内外 物质的相互作用。
2)量子点水凝胶折射率测试结果
通过调节水凝胶溶液中丙烯酰胺含量，制备的水凝胶折射率结果如图4所 示。随着丙烯酰胺含量的增加，水凝胶的折射率增大。因此，可以根据需求制 备两种不同折射率的水凝胶，以满足水凝胶光纤中纤芯折射率大于包层的需求。
3)量子点水凝胶光纤机械性能测试结果
通过拉伸量子点水凝胶光纤测试其机械性能，从图5中可以看出，量子点 水凝胶光纤可拉升至原长20倍，展示了极高的韧性，不易损坏。
4)量子点水凝胶光纤荧光图谱测试
利用波分复用器WDM将LED激励光(中心波长475nm)耦合到量子点水凝胶 光纤中，并在另一端用光谱仪探测荧光信号；从图6中可以看出，在激励光的 作用下，光谱仪探测到了水凝胶光纤中不同波长量子点的荧光信号，中心波长 分别为532nm和631nm。
5)量子点水凝胶光纤温度、湿度多参量测试结果
将量子点水凝胶光纤放置在高低温箱中，调控高低温箱中的温度和湿度， 测试量子点水凝胶光纤的光谱特性，从图7中可以看出，量子点水凝胶光纤中 不同的量子点的荧光强度随着温度、湿度的改变出现了明显变化。图7为利用 不同量子点进行荧光强度线性拟合结果，本发明量子点水凝胶光纤的荧光强度 对温度和湿度的响应线性度良好，构建方程组，可同时进行温度和湿度的测量。
制备方法简单、制作的水凝胶光纤一致性良好，可见光波段光损低，机械 性能优异，能够适合各种复杂环境的应用。通过选择不同荧光波长的量子点， 可实现温度、湿度等多参量的传感测试。同时制作的水凝胶光纤生物相容性好， 通过对量子点进行不同靶向修饰可以实现生物体内原位探测。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包 含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素， 而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品 或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……” 限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在 另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述 实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进 行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各 实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，其特征在于：包括以下步骤
a)称取指定质量的丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂、光引发剂、多个指定荧光波长的量子点，并在100mL去离子水中混合均匀，制得水凝胶光纤纤芯前驱体溶液；
b)称取指定质量的丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂和光引发剂，并在100mL去离子水中混合均匀，制得水凝胶光纤包层前驱体溶液；
c)将a步骤中制得的水凝胶光纤纤芯前驱体溶液注入同轴打印芯材喷头的导管中；
d)将b步骤中制得的水凝胶光纤包层前驱体溶液注入同轴打印包材喷头的导管中；
e)在打印的过程中，利用紫外灯进行光固化，制作量子点水凝胶光纤。
2.根据权利要求1所述的同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，其特征在于：在所述步骤a中，丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂、光引发剂和量子点的配比为1-100g：1-100ml：0.01-10g：0.01-10ml：1-10mg。
3.根据权利要求1所述的同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，其特征在于：在所述步骤a中，所述的量子点材料为CsPbCl3、CsPbBr3、CsPbI3、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、BaS、AgInS2、NaCl、Fe2O3、In2O3、InAs、InN、InP、GaAs、GaN、GaS、GaSe、InGaAs、MgS、MgSe、MgTe、PbS、PbSe、PbTe、Cd(SxSe1-x)、BaTiO3、PbZrO3中至少一者。
4.根据权利要求1所述的同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，其特征在于：在所述步骤b中，丙烯酰胺、丙烯酸、交联剂、光引发剂的配比为1-100g：1-100ml：0.01-10g：0.01-10ml。
5.根据权利要求1所述的同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，其特征在于：在所述步骤a和所述步骤b中，交联剂为N’N亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯PEGDA中的至少一者，光引发剂为2-羟基-2甲基苯丙酮、苯甲酰甲酸甲酯中、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦中的至少一者。
6.根据权利要求1所述的同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，其特征在于：在所述步骤e中，同轴打印的芯材喷头直径为0.01-1mm，包材喷头直径为0.05-2mm。
7.根据权利要求1所述的同轴打印量子点水凝胶光纤的方法及多参量传感应用，其特征在于：还包括步骤f)选择传统LED光源或者激光作为激励光，荧光光谱仪作为荧光探测装置并利用波分复用器(WDM)将激发光、光谱仪以及量子点水凝胶光纤连接，以搭建多参量传感系统，将量子点水凝胶光纤放入待测环境中进行多参量传感。
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