变色水凝胶活性材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及纳米复合材料领域，公开了一种变色水凝胶活性材料及其制备方法和应用。所述水凝胶活性材料包括水凝胶基体和在所述水凝胶基体中组装的活性纳米粒子，其中，所述活性纳米粒子选自贵金属纳米粒子。本发明专利技术提供的水凝胶活性材料具有暗场光学活性，且与具有一定离子强度和/或pH值的溶液接触时，水凝胶基体中的贵金属纳米粒子的聚集情况会发生变化，使得水凝胶活性材料的颜色以及暗场反射光颜色均发生肉眼可分辨的变化。并且，该水凝胶活性材料的制备和观测方法均较为简单高效，适合大规模推广应用。规模推广应用。规模推广应用。

【技术实现步骤摘要】
变色水凝胶活性材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及纳米复合材料领域，具体涉及一种变色水凝胶活性材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]贵金属纳米粒子，如金纳米粒子和银纳米粒子，在可见光或近红外波长范围内表现出强烈的局域表面等离激元共振效应(LSPR)，因此，不同形状和结构的贵金属纳米粒子材料已经在成像和比色生物分析检测中得到广泛应用。为了开发基于贵金属纳米粒子的新型材料和相关传感器等产品，势必需要明确在不同溶液环境中贵金属纳米粒子的存在形式和运动规律，研究纳米材料的生长、蚀刻和组装过程和特点。
[0003]对纳米粒子的运动行为进行原位观测，需要观测方法具有足够的时间和空间分辨率，目前常用的对纳米粒子的运动行为进行原位观测的方法包括动态光散射法、显微观测法等。然而，动态光散射法虽然能够反映纳米粒子的运动情况，却不能直接成像。透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)是采用显微观测法对纳米粒子的运动行为进行原位观测的常用方法之一，然而，采用TEM和SEM观测时，需要在真空环境中对样品进行观测，而且还需要对样品厚度进行严格控制，以免样品过厚无法聚焦导致画面丢失。显然，苛刻的观测条件和样品要求使得TEM和SEM的观测难度大大提高，不利于研究工作的进行，而且极大限制了相关产品的研发效率。
[0004]相比于电子显微镜，光学显微镜的观测条件更为宽松，而且成像速度更快。近年来的研究发现，由于贵金属纳米粒子具有较为强烈的LSPR效应，该性能和材料的组成及分布密切相关。因此在暗场光源的照射下，具有不同的形貌、大小、元素组成以及空间结构的贵金属纳米粒子能够表现出不同颜色的散射光，从而使得暗场显微镜(DFM)成为了更加快速、便捷地观测贵金属纳米粒子生长、运动、蚀刻和组装动力学的方法。
[0005]然而，除了观测手段外，对分散相的选择对于纳米粒子的运动行为原位观测也十分重要。通常，贵金属纳米粒子会在水或水溶液中发生速度较快且运动范围较大的布朗运动，使得对纳米粒子的运动行为观测较为困难。为了降低布朗运动的影响，通常选择高黏度的甘油水溶液作为分散相。但是，甘油在纳米材料表面的过度吸附将会对其分散程度产生影响，从而干扰对其运动行为的观测。因此，选择合适的分散相来进行暗场显微成像成为了解决原位观测的关键问题。
[0006]此外，对于纳米复合材料的研发而言，合适的分散相也十分重要，分散相的种类和所含的内容物以及pH值等对于其中的纳米粒子的运动行为均可能造成影响，从而使得纳米粒子的组装行为和最终获得的产品特性具有较大的差别。而且，若能明确在特定分散相中纳米粒子的运动和组装规律，对于不同功能特性的贵金属纳米粒子复合材料的构建、开发和应用将具有重要指导意义。然而，虽然现在已有不少研究人员针对贵金属纳米粒子的观测方法和设备进行了研究，但是目前对于贵金属纳米粒子在含水体系，例如水凝胶体系等中的运动规律却鲜有报道。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的贵金属纳米粒子复合材料开发过程中，对纳米粒子的运动行为进行原位观测的方法存在观测难度大、方法复杂、效率较低等缺陷，且对含水体系(尤其是水凝胶体系)中的纳米粒子运动规律研究较少，从而导致相关产品的开发困难等问题，提供一种变色水凝胶活性材料及其制备方法和应用。该水凝胶活性材料具有暗场光学活性，且通过将该材料与不同离子强度和pH值的样品溶液接触即可获得改变水凝胶基体中的贵金属纳米粒子的聚集情况，使得水凝胶活性材料的颜色以及暗场显微镜下观测的散射光颜色发生改变，从而能够快速判断样品的盐度、酸碱度等特征属性。该水凝胶活性材料的制备和观测方法均较为简单高效，适合大规模推广应用。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供一种水凝胶活性材料，所述水凝胶活性材料包括水凝胶基体和在所述水凝胶基体中组装的活性纳米粒子，其中，所述活性纳米粒子选自贵金属纳米粒子。
[0009]本专利技术第二方面提供一种制备水凝胶活性材料的方法，所述方法包括将水凝胶基体与活性纳米粒子混合，使得活性纳米粒子在所述水凝胶基体中进行组装，从而获得所述水凝胶活性材料，其中，所述活性纳米粒子选自贵金属纳米粒子。
[0010]本专利技术第三方面提供一种在含水体系中观察贵金属纳米粒子运动和/或组装行为进行原位观测的方法，所述方法包括采用暗场显微镜对贵金属纳米粒子运动和/或组装行为进行观测，其中，将所述贵金属纳米粒子置于水凝胶体系中，以降低所述贵金属纳米粒子的运动速度和/或运动范围。
[0011]本专利技术第四方面提供如前所述的水凝胶活性材料，或者，根据前述方法制备获得的水凝胶活性材料在盐度和/或酸碱度检测中的应用。
[0012]通过上述技术方案，本专利技术能够取得如下有益效果：
[0013](1)本专利技术提供的水凝胶活性材料将金属纳米粒子分散于高含水量的水凝胶材料中，使其既能保证一定的胶体稳定性，又能在凝胶中自由运动。在酸、碱或盐的诱导下，金属纳米粒子发生聚集，产生具备等离激元偶合效应的大尺寸聚集体，从而呈现出肉眼可分辨的颜色变化，能够在复杂的环境中实现高盐度的裸眼检测。
[0014](2)本专利技术提供的水凝胶活性材料中，以水凝胶作为分散相，能够在水凝胶中进行自组装的贵金属纳米粒子作为活性纳米粒子，其具有明显的暗场光学活性，并且能够对离子强度的改变进行响应，发生肉眼可分辨的颜色变化，因此可以直接利用暗场显微镜对该水凝胶活性材料中的活性粒子进行观测，并根据其颜色的变化实现更加方便快捷的样品盐度/酸碱度的检测。
[0015](3)与传统的水或水溶液体系相比，一方面，水凝胶体系中的透光性和含水量较高，更接近于水或水溶液的水性体系，相比于粘性较大的甘油等，对贵金属纳米粒子的运动影响较小。另一方面，水凝胶体系具有能够限制纳米粒子运动的三维网络结构，削弱了在水性体系中纳米粒子的布朗运动速度和范围，使得该水凝胶活性材料中活性粒子的运动和组装行为更易观测。
[0016](4)由于采用了水凝胶体系作为分散相，本专利技术提供的水凝胶活性材料能够直接采用暗场显微镜进行观察，无需使用复杂的样品池，也无需进行样品切片，大大提高了观测效率。而且，由于贵金属纳米粒子的LSPR效应和其粒径大小、形貌、元素组成、空间结构密切
相关，因此，还能通过光斑的颜色变化对纳米材料的生长、蚀刻、组装等行为进行监控，从而更易实现对该水凝胶活性材料特性的控制。
附图说明
[0017]图1是实施例1中胶体金溶液A、置于玻璃上的AuNPs以及水凝胶活性材料I中AuNPs的DFM图。
[0018]图2是(A)实施例1试验(一)中样品a
‑
d放置10min后的颜色变化图，(B)
‑
(E)实施例1试验(一)中样品a
‑
d的消光光谱图。
[0019]图3是实施例1中胶体金溶液B、置于玻璃上的AuNPs
‑
COOH以及水凝胶活性材料II中AuNPs
‑
COOH的DFM图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水凝胶活性材料，其特征在于，所述水凝胶活性材料包括水凝胶基体和在所述水凝胶基体中组装的活性纳米粒子，其中，所述活性纳米粒子选自贵金属纳米粒子。2.根据权利要求1所述的水凝胶活性材料，其中，所述水凝胶基体选自凝胶孔径200
‑
800nm的水凝胶材料，优选所述水凝胶材料中的水含量在95％以上，更优选所述水凝胶材料厚度为1cm时透光率在80％以上；和/或，所述水凝胶活性材料中以贵金属元素计的活性纳米粒子的重量含量为1
‑
30ppm，优选为1
‑
20ppm，更优选为1
‑
10ppm，进一步优选为1
‑
5ppm；和/或，所述活性纳米粒子选自具有表面修饰基团的贵金属纳米粒子，优选所述活性纳米粒子的粒径为30
‑
80nm，优选为30
‑
50nm；优选地，所述表面修饰基团选自羧基、氨基和羟基中的至少一种。3.根据权利要求2所述的水凝胶活性材料，其中，所述水凝胶材料选自琼脂糖、明胶和壳聚糖中的至少一种；和/或，所述水凝胶材料中的水含量为99
‑
99.9重量％；和/或，所述贵金属纳米粒子选自金纳米粒子、银纳米粒子和金银核壳结构粒子中的至少一种；优选地，所述贵金属纳米粒子选自金纳米球、银纳米球、金纳米棒、金纳米双锥和金银核壳结构粒子中的至少一种。4.一种制备水凝胶活性材料的方法，其特征在于，所述方法包括将水凝胶基体与活性纳米粒子混合，使得活性纳米粒子在所述水凝胶基体中能够运动并进行组装，从而获得所述水凝胶活性材料，其中，所述活性纳米粒子选自贵金属纳米粒子。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述水凝胶基体选自凝胶孔径200
‑
800nm的水凝胶材料，优选所述水凝胶材料中的水含量在95重量％以上，优选所述水凝胶材料厚度为1cm时透光率在80％以上；和/或，相对于每千克的水凝胶基体，以贵金属元素计的活性纳米粒子的用量为1
‑
30mg，优选为1
‑
20mg，更优选为1
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10mg，进一步优选为1
‑
5mg；和/或，所述活性纳米粒子选自具有表面修饰基团的贵金属纳米粒子，优选所述活性纳米粒子的粒径为30
‑
50nm；优选地，所述水凝胶材料选自琼脂糖、明胶和壳聚糖中的至少一种；优选地，所述水凝胶材料中的水含量为99
‑
99.9重量％；优选地，所述贵金属纳米粒子选自金纳米粒子、银纳米粒子和金
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【专利技术属性】
技术研发人员：王悦靓，寿雯，郭隆华，姚媛媛，陈丽芬，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：