一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，属于材料科学及分析检测领域。该方法首先将胶体光子晶体分散于含有可物理交联的聚合物溶液中，通过冷冻‑解冻的方式达到将光子晶体半固定于物理交联的物理聚合水凝胶中的目的，然后再固定于另一种化学交联的水凝胶中并同时通过反应引入铍离子识别单元，最后加热去除物理交联的水凝胶，仅存化学交联水凝胶。由于铍离子与其识别单元的作用会引起水凝胶体积变化，同时带动光子晶体微球间距的变化，根据布拉格衍射定律导致光子晶体水凝胶薄膜颜色变化以及反射峰发生位移进而确定溶液中所含铍离子浓度。这种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜检测铍离子的方法具有灵敏度高、特异性强、操作简易、成本低廉、观测准确等优点。

A preparation method of intelligent photonic crystal hydrogel film with the visualized detection function of beryllium ion

The invention relates to a preparation method of intelligent photonic crystal hydrogel film with beryllium ion visual detection function, which belongs to the field of material science and analysis and detection. The colloidal photonic crystals dispersed in the polymer solution containing physical crosslinking, by freezing thawing way to achieve physical photonic crystal in the semi fixed physical crosslinking polymerization in the hydrogel, and then fixed on another chemical crosslinked hydrogel and by the reaction of beryllium ions into the identification unit and finally heating to remove physically crosslinked hydrogels, only chemically crosslinked hydrogel. Because of its role in the beryllium ion recognition unit will cause the hydrogel volume change, and promote the change of photonic crystal microsphere spacing, according to the Prague diffraction law leads to photonic crystal hydrogel film color change and reflection peak shifts and to determine the solution containing beryllium ion concentration. The intelligent photonic crystal hydrogel film with beryllium ion visual detection function has the advantages of high sensitivity, specificity, simple operation, low cost and accurate observation.

【技术实现步骤摘要】
一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法
本专利技术设计材料科学、分析检测领域，尤其是涉及一种高灵敏检测铍离子的智能光子晶体水凝胶薄膜材料，其制备方法及应用。
技术介绍
由于铍的特殊性质，其作为核反应堆中最好的慢化剂和反射层被广泛应用于核电站等核工业。同时，铍在电子器件、航空、X射线管、高温陶瓷、卫星结构部件及航天飞机等领域也有广泛应用。但事实上，所有铍的化合物都有很强的肺毒性并且是可能的致癌物。由于其在可以通过食物和水在皮肤、软组织中富集，因此可能对人的身体健康带来严重的危害，例如慢性铍中毒、严重肺病等，并被美国环境保护局列为A类致癌物。目前实验室或工业领域检测铍离子的主要方法有原子吸收及发射光谱、荧光分光光度法、伏安法、电感耦合等离子体法及气相色谱法等，然而这些方法样品前处理复杂、步骤繁琐且仪器昂贵笨重，无法做到实时快速检测。寻找一种能够方便快捷实时检测铍离子浓度的方法具有重要意义。光子晶体是由具有不同折射率的材料在空间交替构成的一种周期性结构，由于其独特光学性质，近年来是材料科学等领域的研究热点。改变光子晶体的晶格参数可以引起布拉格衍射峰发生变化，通过将胶体光子晶体半固定于水凝胶中，结合光子晶体的光学性质及水凝胶的灵敏性，可以实现对特定化合物或者离子的灵敏检测。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法及使用所述具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶进行溶液中铍离子可视化检测的方法，方便快捷的检测出海水、河水、污水等溶液中的铍离子浓度，弥补了目前检测铍离子浓度需要复杂仪器并且无法实时检测的缺点。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，包括以下几个步骤：(1)物理交联的光子晶体水凝胶的制备步骤：将可进行物理交联的聚合物溶解于相应的溶剂中形成凝胶，将胶体光子晶体与上述凝胶混合并反复加热振荡，至有较强折射。然后将凝胶注入石英样品池中，并进行物理交联，形成物理交联的光子晶体-聚合物水凝胶。(2)具有铍离子快速原位检测功能的光子晶体水凝胶的制备步骤：将步骤1得到的物理交联水凝胶置于含有9-冠醚-3前聚体的溶液中，加入引发剂后进行化学交联反应，反应结束以后取下所得化学交联水凝胶，置于超纯水中加热去除物理交联的聚合物水凝胶得到9-冠醚-3修饰的光子晶体水凝胶。(3)智能光子晶体水凝胶对铍离子的可视化测定将步骤2制备好的光子晶体水凝胶放入含有铍离子的溶液中，待饱和后原位进行反射光谱的测量及颜色变化的观察。步骤1中可进行物理交联的聚合物包含但不限于聚乙烯醇、聚氨酯、聚乙二醇及衍生物、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、壳聚糖等。胶体光子晶体所用纳米微球为二氧化硅纳米粒子、聚苯乙烯纳米粒子、聚甲基丙烯酸甲酯纳米粒子、氧化锌纳米粒子、碳微球、氧化钇等单分散均匀微球的一种或多种组装而成，其质量分数为可根据检测实际要求进行调节。步骤2中所述前聚体溶液为包含但不限于丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、醋酸丁酸纤维素、硅氧烷甲基丙烯酸酯、氟硅甲基丙烯酸酯、全氟醚或二甲基丙烯酸乙二醇中的任意一种或多种混合而成。步骤2中所述化学交联反应方法具体为紫外灯照射光化学反应或温度控制进行热固化。本专利技术的另一种目的是提供一种铍离子可视化检测的方法：将制成的水凝胶在可能含有铍离子的溶液中进行特异性结合，反应完毕之后根据水凝胶薄膜在溶液中颜色变化或通过光纤光谱仪原位测定水凝胶的反射光谱，确定铍离子的含量。步骤3中所述的可能含有铍离子的溶液可为水溶液或者有机溶液。通过本专利技术制备的具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜来检测铍离子浓度与现有的检测铍离子浓度的方法相比具有以下优点：(1)本专利技术以智能光子晶体水凝胶薄膜为载体来进行铍离子的可视化检测，通过肉眼观察溶液中铍离子浓度，无需采集样品带回实验室即能有效判断溶液中是否含有铍离子污染，方便快捷且具有实时性，通过光纤光谱仪的使用，可以检测痕量铍离子的存在。(2)本专利技术将铍离子识别单元与智能光子晶体水凝胶薄膜相结合，利用铍离子识别分子结合铍离子后体积的变化导致光子晶体的带隙变化来进行检测，所述光子带隙的变化会带来所述智能光子晶体水凝胶薄膜颜色的变化，同时其反射光谱发生波长的移动，能轻易被人眼所鉴别，使得检测工具大大简化，检测成本大大降低。(3)本专利技术提供了一种普适性方法，改变识别单元的种类，可以进行多种化合物及离子的检测。附图说明图1是光子晶体微球扫描电镜图。图2是智能光子晶体水凝胶薄膜扫描电镜图。具体实施方式以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本专利技术而不限于限制本专利技术的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体检测的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。任何本领域的技术人员，在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下，应当可以作出各种修改和变更，因此本专利技术的保护范围应当视为所附的权利要求书所限定的范围。实施例1(1)物理交联的光子晶体水凝胶的制备步骤：将聚乙烯醇加入到二甲基亚砜中并于100℃下加热溶解，然后加入超纯水混合并冷却至室温备用。将单分散的100nm的聚苯乙烯纳米粒子分散于超纯水中，使其质量分数为5％，将质量分数为5％的胶体光子晶体与上述聚乙烯醇凝胶混合，然后加热并振荡，反复加热并振荡多次。然后将0.5ml混合凝胶注入石英样品池中，超低温冷冻1h，然后放入常温水中解冻5h，形成物理交联的光子晶体-聚乙烯醇水凝胶。(2)具有铍离子快速原位检测功能的光子晶体水凝胶的制备步骤：将步骤1得到的物理交联水凝胶切割为1×1cm2的小块备用。配制质量分数为10％的丙烯酰胺溶液5ml，加入N’N-亚甲基双丙烯酰胺0.01g，9-冠醚-3前聚体0.002g，光引发剂15微升，然后将切割好的水凝胶置于配置好的前聚体溶液中黑暗放置一段时间，然后取出置于石英样品池中，并加入剩余的前聚体溶液，将石英样品池放到紫外灯下进行反应1h，反应结束后揭下凝胶膜，在55℃超纯水中加热5分钟去除物理交联的聚乙烯醇得到9-冠醚-3修饰的光子晶体水凝胶。(3)智能光子晶体水凝胶对铍离子的可视化测定将步骤2制备好的光子晶体水凝胶放入含有铍离子的海水中，待30分钟反应结束后原位进行反射光谱的测量及颜色变化的观察，确定铍离子的浓度。实施例2(1)物理交联的光子晶体水凝胶的制备步骤：将聚氨酯加入到超纯水中并于60℃下加热溶解，然后冷却至室温备用。将单分散的300nm的二氧化硅纳米粒子分散于超纯水中，使其质量分数为15％，将质量分数为15％的胶体光子晶体与上述聚乙烯醇凝胶混合，然后加热并振荡，反复加热并振荡多次。然后将0.5ml混合凝胶注入石英样品池中，超低温冷冻5h，然后放入常温水中解冻24h，形成物理交联的光子晶体-聚乙烯醇水凝胶。(2)具有铍离子快速原位检测功能的光子晶体水凝胶的制备步骤：将步骤1得到的物理交联水凝胶切割为1×1cm2的小块备用。配制质量分数为3％的丙烯酰胺溶液5ml，加入N’N-亚甲基双丙烯酰胺0.05g，9-冠醚-3前聚体0.005g，光引发剂15微升，然后将切割好的水凝胶置于配置好的前聚体溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：(1)物理交联的光子晶体水凝胶的制备步骤：将可进行物理交联的聚合物溶解于相应的溶剂中形成凝胶，将胶体光子晶体与上述凝胶混合并反复加热振荡，至有较强折射。然后将凝胶注入石英样品池中，并进行物理交联，形成物理交联的光子晶体‑聚合物水凝胶。(2)具有铍离子快速原位检测功能的光子晶体水凝胶的制备步骤：将步骤1得到的物理交联水凝胶置于含有9‑冠醚‑3前聚体的溶液中，加入引发剂后进行化学交联反应，反应结束以后取下所得化学交联水凝胶，置于超纯水中加热去除物理交联的聚合物水凝胶得到9‑冠醚‑3修饰的光子晶体水凝胶。(3)智能光子晶体水凝胶对铍离子的可视化测定将步骤2制备好的光子晶体水凝胶放入含有铍离子的溶液中，待饱和后原位进行反射光谱的测量及颜色变化的观察。

【技术特征摘要】
1.一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：(1)物理交联的光子晶体水凝胶的制备步骤：将可进行物理交联的聚合物溶解于相应的溶剂中形成凝胶，将胶体光子晶体与上述凝胶混合并反复加热振荡，至有较强折射。然后将凝胶注入石英样品池中，并进行物理交联，形成物理交联的光子晶体-聚合物水凝胶。(2)具有铍离子快速原位检测功能的光子晶体水凝胶的制备步骤：将步骤1得到的物理交联水凝胶置于含有9-冠醚-3前聚体的溶液中，加入引发剂后进行化学交联反应，反应结束以后取下所得化学交联水凝胶，置于超纯水中加热去除物理交联的聚合物水凝胶得到9-冠醚-3修饰的光子晶体水凝胶。(3)智能光子晶体水凝胶对铍离子的可视化测定将步骤2制备好的光子晶体水凝胶放入含有铍离子的溶液中，待饱和后原位进行反射光谱的测量及颜色变化的观察。2.根据权利要求1所述的一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，所述可进行物理交联的聚合物包含但不限于聚乙烯醇、聚氨酯、聚乙二醇及衍生物、聚(N-异丙基丙烯酰胺)、壳聚糖等。3.根据权利要求1所述的一种具有铍离子可视化检测功能的智能光子晶体水凝胶薄膜的制备方法，其特征在于，所述胶体光子晶体包含但不限于二氧化硅纳米粒子、聚苯乙烯纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹立新，秦俊杰，王玮，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37