一种基于响应性薄膜材料的pH值检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于响应性薄膜材料的pH值检测方法，首先调整缓冲溶液的pH值，以响应性薄膜材料作为响应元件，用不同pH值溶液将响应性薄膜材料浸湿；然后采集浸湿区域的反射光谱，得到反射特征峰波长；最后应用origin软件拟合曲线，得到pH值计算公式，用于计算待测溶液的pH值。本发明专利技术的材料制备过程采用乳液聚合，制备工艺简单，节能环保；同时该检测方法敏感度高、速度快、精度高、响应材料可重复使用，检测结果不受环境影响具有巨大的应用前景。

A pH detection method based on responsive film materials

【技术实现步骤摘要】
一种基于响应性薄膜材料的pH值检测方法
本专利技术属于高分子材料应用领域，尤其涉及一种基于响应性薄膜材料的pH值检测方法。
技术介绍
光子晶体是一类由不同折射率的介质在空间中周期性排列而形成的微纳结构。根据布拉格公式，光子晶体反射特征峰波长与平均折光指数以及晶格常数成正比。只需通过改变光子晶体材料的折光指数或者晶格常数即可达到调控光子晶体结构色的目的。近年来光子晶体材料受到了广泛研究，目前已发表相关论文数万篇。有研究将光子晶体材料与响应性官能团相结合，实现了光子晶体传感器材料的制备，以光子晶体材料的颜色为检测变量，可用于化学物质检测领域。考虑到羧基能在不同pH值环境下呈现不同程度的电离，将其与光子晶体材料相结合，可能为光子晶体材料在响应性检测领域带来新的应用空间。目前常用的pH值检测方法为pH试纸或pH计。然而pH试纸均为一次性，无法重复使用。pH试纸检测方式通过裸眼对颜色进行比对判定pH值，判定结果受检测人员主观因素干扰，且并不适用于色弱、色盲等人员。此外，pH试纸蘸取液体后呈现的颜色并不均匀，通常呈现边缘区域较浅中间区域较深的现象，区域的选择将会对判定结果造成影响。同时，pH试纸呈现的颜色还会受到温度影响。因此，pH试纸的检测结果易受干扰，误差较大。pH计测定结果较为精确，但是其相较于pH试纸体积与重量较大，且使用前需经过去离子水清洗、多种标准pH值缓冲溶液校正等多步操作，数据不易稳定，使用步骤繁琐，且pH计的电极通常需要进行长期养护，进行少量样品的快速检测时具有一定局限性。因此如何通过日常使用方便快捷、可重复的方式实现pH值的检测非常重要。专利技术内容本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于响应性薄膜材料的pH值检测方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于响应性薄膜材料的pH值检测方法，包括以下步骤：(1)调整缓冲溶液的pH值，得到多个不同pH值溶液。(2)以响应性薄膜材料作为响应元件，用步骤(1)得到的不同pH值溶液将响应性薄膜材料浸湿，得到对应不同pH值的浸湿薄膜；(3)采集步骤(2)得到的对应不同pH值的浸湿薄膜的浸湿区域在300～1000nm波段范围内的反射光谱，得到对应不同pH值的反射特征峰波长，拟合反射特征峰波长和pH值之间的关系曲线，得到pH值计算公式。(4)用待测溶液将响应性薄膜材料浸湿，采集待测溶液的浸湿薄膜的浸湿区域在300～1000nm波段范围内的反射光谱，获取待测溶液对应的反射特征峰波长，通过步骤(3)中的pH值计算公式，计算得到待测溶液的pH值。所述步骤(2)中的响应性薄膜材料由含有羧基的聚合物纳米粒子胶乳与炭黑粒子以及二氧化硅粒子混合后除水干燥得到；所述聚合物纳米核壳粒子胶乳为三层结构，具体为一层两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂包裹两层嵌段共聚物胶乳的结构；所述聚合物纳米核壳粒子胶乳含有羧基，通过嵌段共聚物胶乳后补加两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂技术制备得到；其中聚合物纳米核壳粒子的体均直径为100～350nm；所述嵌段共聚物胶乳的链段结构表达式为：R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-b-Yn4-Z；其中，R为异丙酸基、乙酸基、2-腈基乙酸基或2-胺基乙酸基；AAn1中，AA为甲基丙烯酸单体单元或丙烯酸单体单元，n1为AA的平均聚合度，n1＝10～60；Stn2中，St为苯乙烯单体单元，n2为St的平均聚合度，n2＝3～10；Xn3中，X为苯乙烯单体单元、甲基丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸甲酯单体单元、丙烯腈单体单元或乙烯基萘单体单元，n3为X的平均聚合度，n3＝1000～10000；Yn4中，Y为丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸乙酯单体单元、丙烯酸正丁酯单体单元、丙烯酸异丁酯单体单元、丙烯酸叔丁酯单体单元或丙烯酸异辛酯单体单元，n4为Y的平均聚合度，n4＝1500-15000；Z为烷基二硫代酯、苯基二硫代酯、苄基二硫代酯或烷基三硫代酯。进一步地，所述步骤(1)中的缓冲溶液为三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、磷酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液或硼砂-盐酸缓冲液。进一步地，所述步骤(2)中的响应性薄膜材料通过以下方法制备得到：(3.1)将1～100重量份的聚合物纳米粒子胶乳与0～10重量份的炭黑粒子水分散液以及0～100重量份的二氧化硅水分散液混合，搅拌处理1～60分钟，得到混合物水分散液；(3.2)将步骤(3.1)得到的混合物水分散液除水干燥得到响应性薄膜材料。进一步地，所述步骤(3.1)中的二氧化硅水分散液固含量为10～70％，其中二氧化硅粒子直径为10～350nm；所述步骤(3.1)中的炭黑粒子水分散液固含量为0.01～10％，其中炭黑粒子直径为5～100nm。进一步地，所述聚合物纳米粒子胶乳通过以下方法制备得到：(5.1)取1～10重量份的两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂搅拌溶于1～100重量份的水中形成大分子试剂水分散液；(5.2)取1～100重量份的步骤(5.1)得到的大分子试剂水分散液与10～10000重量份的嵌段共聚物胶乳以及0～100重量份的X一起倒入反应器中；将反应器升温至60～80℃，保持搅拌，持续通氮除氧5分钟以上；然后加入0～0.1重量份的水溶性引发剂，引发聚合15～120分钟后得到聚合物纳米粒子胶乳。进一步地，所述步骤(5.2)中的水溶性引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、过硫酸钾或过硫酸铵。进一步地，所述嵌段共聚物胶乳通过以下方法制备得到：(7.1)将1～10重量份的两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂搅拌溶于100～10000重量份的水中形成水相，再与由10～1000重量份X组成的油相一起倒入反应器中搅拌混合；将反应器温度升至60～80℃，保持搅拌，通氮除氧5分钟以上，加入0.01～0.2重量份的水溶性引发剂，反应1～20小时后，得到R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-Z聚合物胶乳；(7.2)在步骤(7.1)得到的聚合物胶乳中加入10～1000重量份的Y，反应1～20小时后，再加入10～1000重量份的Y以及0～30重量份的交联剂，继续反应1～20小时后，得到R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-b-Yn4-Z嵌段共聚物胶乳。进一步地，所述步骤(7.1)中的水溶性引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰、叔丁基过氧化氢、过硫酸钾或过硫酸铵；所述步骤(7.2)中的交联剂为二乙烯基苯、1,4-丁二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯、二丙烯酸乙二醇酯、1，6-己二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、三丙二醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯。进一步地，所述两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂的化学结构通式为：其中，Z为碳原子数从四到十二的烷硫基、烷基、苯基或苄基；Stn2中，St为苯乙烯单体单元，n2为St的平均聚合度，n2＝3～10；AAn1中，AA为甲基丙烯酸或丙烯酸单体单元，n1为AA的平均聚合度，n1＝10～60；R为异丙酸基、乙酸基、2-腈基乙酸基或2-胺基乙酸基。进一步地，所述两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂为下列化学结构式(Ⅰ)、(Ⅱ)中的一种：本专利技术的有益效果是：1、本专利技术具有方便快速、高精度的特点，无需人工比对色卡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于响应性薄膜材料的pH值检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)调整缓冲溶液的pH值，得到多个不同pH值溶液。(2)以响应性薄膜材料作为响应元件，用步骤(1)得到的不同pH值溶液将响应性薄膜材料浸湿，得到对应不同pH值的浸湿薄膜。(3)采集步骤(2)得到的对应不同pH值的浸湿薄膜的浸湿区域在300～1000nm波段范围内的反射光谱，得到对应不同pH值的反射特征峰波长，拟合反射特征峰波长和pH值之间的关系曲线，得到pH值计算公式。(4)用待测溶液将响应性薄膜材料浸湿，采集待测溶液的浸湿薄膜的浸湿区域在300～1000nm波段范围内的反射光谱，获取待测溶液对应的反射特征峰波长，通过步骤(3)中的pH值计算公式，计算得到待测溶液的pH值。所述步骤(2)中的响应性薄膜材料由含有羧基的聚合物纳米粒子胶乳与炭黑粒子以及二氧化硅粒子混合后除水干燥得到；所述聚合物纳米核壳粒子胶乳为三层结构，具体为一层两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂包裹两层嵌段共聚物胶乳的结构；所述聚合物纳米核壳粒子胶乳含有羧基，通过嵌段共聚物胶乳后补加两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂技术制备得到；其中聚合物纳米核壳粒子的体均直径为100～350nm；所述嵌段共聚物胶乳的链段结构表达式为：R‑AAn1‑b‑Stn2‑b‑Xn3‑b‑Yn4‑Z；其中，R为异丙酸基、乙酸基、2‑腈基乙酸基或2‑胺基乙酸基；AAn1中，AA为甲基丙烯酸单体单元或丙烯酸单体单元，n1为AA的平均聚合度，n1＝10～60；Stn2中，St为苯乙烯单体单元，n2为St的平均聚合度，n2＝3～10；Xn3中，X为苯乙烯单体单元、甲基丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸甲酯单体单元、丙烯腈单体单元或乙烯基萘单体单元，n3为X的平均聚合度，n3＝1000～10000；Yn4中，Y为丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸乙酯单体单元、丙烯酸正丁酯单体单元、丙烯酸异丁酯单体单元、丙烯酸叔丁酯单体单元或丙烯酸异辛酯单体单元，n4为Y的平均聚合度，n4＝1500‑15000；Z为烷基二硫代酯、苯基二硫代酯、苄基二硫代酯或烷基三硫代酯。...

【技术特征摘要】
1.一种基于响应性薄膜材料的pH值检测方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)调整缓冲溶液的pH值，得到多个不同pH值溶液。(2)以响应性薄膜材料作为响应元件，用步骤(1)得到的不同pH值溶液将响应性薄膜材料浸湿，得到对应不同pH值的浸湿薄膜。(3)采集步骤(2)得到的对应不同pH值的浸湿薄膜的浸湿区域在300～1000nm波段范围内的反射光谱，得到对应不同pH值的反射特征峰波长，拟合反射特征峰波长和pH值之间的关系曲线，得到pH值计算公式。(4)用待测溶液将响应性薄膜材料浸湿，采集待测溶液的浸湿薄膜的浸湿区域在300～1000nm波段范围内的反射光谱，获取待测溶液对应的反射特征峰波长，通过步骤(3)中的pH值计算公式，计算得到待测溶液的pH值。所述步骤(2)中的响应性薄膜材料由含有羧基的聚合物纳米粒子胶乳与炭黑粒子以及二氧化硅粒子混合后除水干燥得到；所述聚合物纳米核壳粒子胶乳为三层结构，具体为一层两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂包裹两层嵌段共聚物胶乳的结构；所述聚合物纳米核壳粒子胶乳含有羧基，通过嵌段共聚物胶乳后补加两亲性大分子可逆加成断裂链转移试剂技术制备得到；其中聚合物纳米核壳粒子的体均直径为100～350nm；所述嵌段共聚物胶乳的链段结构表达式为：R-AAn1-b-Stn2-b-Xn3-b-Yn4-Z；其中，R为异丙酸基、乙酸基、2-腈基乙酸基或2-胺基乙酸基；AAn1中，AA为甲基丙烯酸单体单元或丙烯酸单体单元，n1为AA的平均聚合度，n1＝10～60；Stn2中，St为苯乙烯单体单元，n2为St的平均聚合度，n2＝3～10；Xn3中，X为苯乙烯单体单元、甲基丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸甲酯单体单元、丙烯腈单体单元或乙烯基萘单体单元，n3为X的平均聚合度，n3＝1000～10000；Yn4中，Y为丙烯酸甲酯单体单元、丙烯酸乙酯单体单元、丙烯酸正丁酯单体单元、丙烯酸异丁酯单体单元、丙烯酸叔丁酯单体单元或丙烯酸异辛酯单体单元，n4为Y的平均聚合度，n4＝1500-15000；Z为烷基二硫代酯、苯基二硫代酯、苄基二硫代酯或烷基三硫代酯。2.根据权利要求1所述基于响应性薄膜材料的pH值检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中的缓冲溶液为三羟甲基氨基甲烷-盐酸缓冲液、柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液、磷酸缓冲液、乙酸-乙酸钠缓冲液或硼砂-盐酸缓冲液。3.根据权利要求1所述基于响应性薄膜材料的pH值检测方法，其特征在于，所述步骤(2)中的响应性薄膜材料通过以下方法制备得到：(3.1)将1～100重量份的聚合物纳米粒子胶乳与0～10重量份的炭黑粒子水分散液以及0～100重量份的二氧化硅水分散液混合，搅拌处理1～60分钟，得到混合物水分散液；(3.2)将步骤(3.1)得到的混合物水分散液除水干燥得到响应性薄膜材料。4.根据权利要求3所述基于响应性薄膜材料的pH值检测方法，其特征在于，所述步骤(3.1)中的二氧化硅水分散液固含量为10～70％，其中二氧化硅粒子直径为10～...

【专利技术属性】
技术研发人员：项青，罗英武，高翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33