一种离子敏感水凝胶及其制备方法和应用、离子溶液的检测装置制造方法及图纸

本申请属于离子溶液检测领域，尤其涉及一种离子敏感水凝胶及其制备方法和应用、离子溶液的检测装置。所述离子敏感水凝胶由电解质单体和非电解质单体聚合而成；所述离子敏感水凝胶通过小角X射线散射测定，其内部具有结构特征尺寸为10

【技术实现步骤摘要】
一种离子敏感水凝胶及其制备方法和应用、离子溶液的检测装置


[0001]本申请属于离子溶液检测领域，尤其涉及一种离子敏感水凝胶及其制备方法和应用、离子溶液的检测装置。

技术介绍

[0002]在目前的研究中，离子响应型水凝胶变得愈发智能化与功能多样化，但随着人们对于即时检测需求的发展，大部分的研究成果在使用中仍然存在一些问题：第一是响应速率慢；第二是响应的离子浓度阈值高。凝胶从感受到盐刺激到出现响应现象这一过程的时间即为响应速率，响应速率决定了水凝胶器件输出响应现象的时效性，如果过程过于缓慢使用者将无法即时获得有效信息。目前的盐响应水凝胶的响应速率大部分为数十秒至数百秒之间，这难以满足实际应用需求。为了改进这一问题，Zheng Siyu等制备了一种厚度为100微米左右的水凝胶，由于尺寸减小，盐在水凝胶内部扩散所需的时间减少，因而水凝胶的响应速率得到了提升，38秒便可发生响应(Soft Matter,2018,14(28):5888
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5897.)，而这一响应速率的滞后性依然较大。另一方面，水凝胶的响应浓度阈值决定了它们的应用场景，如果响应阈值浓度超过自然环境或生理环境的溶液浓度，凝胶便失去了这些领域中的应用的可能性。例如NIPAm类盐响应凝胶由于响应所需盐浓度高，并且响应性质受温度影响，因而实际应用潜力不大。电解质水凝胶的响应阈值可以低至0.01M(ACS Applied Materials and Interfaces,2017,9(24):20843
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20851.)，但由于其依赖体积收缩来体现响应行为，因而低盐浓度下凝胶响应现象及其微弱，难以观察。

技术实现思路

[0003]基于上述技术问题，本申请提供了一种离子刺激
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响应型水凝胶，该水凝胶由电解质单体和非电解质单体聚合而成，其非电解质单体中的疏水基团可以在水凝胶内部形成10
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40nm的微相分离结构。该离子敏感水凝胶内部的微相分离结构具有静电排斥作用，对环境中离子强度的变化具有敏感性；当感受到溶液中离子的刺激时，水凝胶能够产生偏光现象且产生体积收缩性质。
[0004]本申请第一方面提供了一种离子敏感水凝胶，所述离子敏感水凝胶由电解质单体和非电解质单体聚合而成；
[0005]所述离子敏感水凝胶通过小角X射线散射测定，其内部具有结构特征尺寸为10
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40nm的微相分离结构。
[0006]具体的，所述微相分离结构由非电解质单体中的疏水基团形成。
[0007]更具体的，通过小角X射线散射测定，所述离子敏感水凝胶的特征尺寸分布范围在15
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35nm之间。
[0008]另一实施例中，所述离子敏感水凝胶在特定浓度的离子溶液刺激下，其体积发生特定的改变，导致在特定相应时间内产生光学双折射。
[0009]具体的，所述离子敏感水凝胶对环境中离子刺激具有光学双折射现象；所述离子敏感水凝胶对变形具有光学响应特性。
[0010]另一实施例中，所述离子溶液的浓度为0.001M
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5M；所述特定相应时间不大于1.5s；
[0011]所述离子溶液的浓度为0.001M
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5M；所述特定相应时间不大于1.5s。
[0012]另一实施例中，所述离子敏感水凝胶在特定体积改变下产生光学双折射，所述体积改变为拉伸应变、压缩应变和剪切应变中的一种或多种，所述体积改变的体积改变范围为1％
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1000％。
[0013]具体的，本申请所提供的离子敏感水凝胶在溶液中离子强度为0.01M时能够产生偏光现象。更具体的，该离子敏感水凝胶在0.01
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5M离子强度的NaCl溶液中都具有偏光现象，并且偏光现象的维持时间随着盐浓度的升高而延长。
[0014]具体的，本申请所提供的离子敏感水凝胶在离子溶液中发生体积收缩时表现为各向同性。离子敏感水凝胶在盐响应时所产生的偏光现象不由凝胶收缩时长、宽、厚三个尺寸的不同步变化而引起。
[0015]另一实施例中，所述离子溶液包括酸、碱、盐和有机胺中的一种或多种。离子溶液即为电解质溶液。
[0016]具体的，所述酸包括HCl、H2CO3、H2PO3、CH3COOH、三氯化铝，三氟化硼、三氧化硫、溴化铁、三氯化铁、五氯化铌、氯化锌、硫酸、硝酸、碘酸、亚硫酸、丙酮酸、亚硝酸、高氯酸、氢碘酸、氢溴酸、乳酸、苯甲酸、丙酸、氢氟酸中的一种或多种；所述碱为LiOH、NaOH、KOH、NH3H2O、Mg(OH)2、Ca(OH)2、Ba(OH)2、Zn(OH)2、Sn(OH)2、片碱或复合碱中的一种或多种；所述盐为LiCl、NaCl、KCl、NH4Cl、LiBr、NaBr、KBr、NH4Br、NaNO3及KNO3、K2SO4、K2CO3、BaCl2、CuCl2、CaCl2、MgCl2、FeCl3、AlCl3、MgSO4、Na2SO4、Na2CO3、NaHCO3、Na3PO4、Na4P2O7及Na5P3O
10
中的一种或多种；所述有机胺为乙胺、乙二胺、三乙胺、三乙烯二胺、四甲基乙二胺、N
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甲基吗啉、DIPEA、吗啉、DMAP和吡啶中的一种或多种。
[0017]本申请的离子敏感水凝胶中非电解质单体中的疏水基团可以在水凝胶内部形成微相分离的结构，相与相之间的距离即过程所述的特征尺寸。通过小角X射线散射(SAXS)的手段进行表征，所述离子敏感水凝胶的特征尺寸结构为纳米级别，盐在两个相之间的扩散时间远小于在水凝胶本体材料方向的扩散时间，因此本申请的离子敏感水凝胶具有快速盐响应特性。当优选的水凝胶含有带电荷的基团时，该离子敏感水凝胶内部具有静电排斥作用，对环境中离子浓度强度的变化具有敏感性，感受到外界离子的刺激后会产生局部的体积收缩或膨胀，从而诱发凝胶材料产生偏光现象。
[0018]另一实施例中，所述电解质单体总摩尔数与所述非电解质单体总摩尔数之比为(0.5：9.5)～(5：5)。
[0019]优选的，所述电解质单体总摩尔数与所述非电解质单体总摩尔数之比为为1：9，更优选为2：8或3：7。在本申请所提供的电解质单体与非电解质单体在比例范围内其水凝胶具有明显的偏光现象，而超出这一范围后凝胶将丧失这一特性。
[0020]另一实施例中，所述离子敏感水凝胶的化学结构具有式(Ⅰ)或式(II)所示的结构；
[0021][0022]其中，所述R1选择为阳离子时，所述R1包括季铵离子、季膦离子、锍离子、咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、哌啶鎓离子及吡咯鎓离子；所述R1选择为阴离子时，所述R1包括羧酸离子、磺酸离子、亚磺酸离子及磷酸离子；
[0023]所述R2为C1～C20的烷基、苯基或C1～C20的烷氧基；
[0024]所述R3为苯基、C0～C20的烷基或C0～C20的烷氧基；
[0025]所述R4为苯基、C0～C20的烷基、C0～C20的烷氧基、为苯基、C0～C20的烷基、C0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子敏感水凝胶，其特征在于，所述离子敏感水凝胶由电解质单体和非电解质单体聚合而成；所述离子敏感水凝胶通过小角X射线散射测定，其内部具有结构特征尺寸为10
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40nm的微相分离结构。2.根据权利要求1所述的离子敏感水凝胶，其特征在于，所述离子敏感水凝胶在特定浓度的离子溶液刺激下，在特定相应时间内产生光学双折射。3.根据权利要求2所述的离子敏感水凝胶，其特征在于，所述离子溶液的浓度为0.001M
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5M；所述特定相应时间不大于1.5s。4.根据权利要求2所述的离子敏感水凝胶，其特征在于，所述离子敏感水凝胶在特定体积改变下产生光学双折射，所述体积改变为拉伸应变、压缩应变和剪切应变中的一种或多种，所述体积改变的体积改变范围为1％
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1000％。5.根据权利要求2所述的离子敏感水凝胶，其特征在于，所述离子溶液包括酸、碱、盐和有机胺中的一种或多种。6.根据权利要求1所述的离子敏感水凝胶，其特征在于，所述电解质单体总摩尔数与所述非电解质单体总摩尔数之比为(0.5：9.5)～(5：5)。7.根据权利要求1所述的离子敏感水凝胶，其特征在于，所述离子敏感水凝胶的化学结构具有式(Ⅰ)或式(II)所示的结构；其中，所述R1选择为阳离子时，所述R1包括季铵离子、季膦离子、锍离子、咪唑鎓离子、吡啶鎓离子、哌啶鎓离子及吡咯鎓离子；所述R1选择为阴离子时，所述R1包括羧酸离子、磺酸离子、亚磺酸离子及磷酸离子；所述R2为C1～C20的烷基、苯基或C1～C20的烷氧基；
所述R3为苯基、C0～C20的烷基或C0～C20的烷氧基；所述R4为苯基、C0～C20的烷基、C0～C20的烷氧基、为苯基、C0～C20的烷基、C0～C20的烷氧基、1≤c≤20，1≤d≤20；所述式(Ⅰ)所示结构的聚合物结构中不含有R5和/或R6；...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭宏磊，梁涣森，孟国哲，冯志远，雷冰，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：