基于体温区的灵敏响应性光子晶体比色传感器的制备及性能研究

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体温的裸眼监测在个人生命健康安全、公共卫生等众多领域具有重要意义。尤其当重大传染性疾病爆发时,在公共关口的体温初筛,裸眼监测可以在很大程度上避免交叉感染的风险,并提高筛查效率。传统上常用于体温检测的仪器存在着交叉感染的风险、准确度受环境因素影响大等问题,且无法实时监测体温、不易于携带以及存在污染环境等问题。随着光子晶体温度比色传感器的发展,目前研究者们基于光子晶体结构与温敏响应性凝胶的复合已成功研制出变色范围覆盖全可见光谱的光子晶体温度比色传感器,但在体温区的温度响应变色范围大多偏离或仅能部分覆盖可见区,目前,尚不能脱离液体环境进行温度的比色监测。针对以上问题,本论文采用热敏性单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)与亲水性较高的非热敏性单体N-羟甲基丙烯酰胺(NHMA)共聚得到了高LCST值的温敏性凝胶聚合物;同时通过操控工艺参数,调整晶格间距,调节在室温下的初始峰位,获得了体温区灵敏响应性光子晶体凝胶膜;并调控参数配比,提高结构色亮度,以黑色导热石墨烯薄膜作为柔性衬底,采用封装技术,制备了基于体温区的温敏性光子晶体比色传感器,成功实现了在固体曲面进行温度的比色监测。探究共聚单体含量对温敏凝胶共聚物的LCST的影响规律,光子晶体在凝胶网络中的初始峰位、填充浓度对衍射峰的移动范围以及半高峰宽的影响规律。论文主要研究内容如下:(1)采用NIPAM与NHMA共聚制备了高LCST值的温敏凝胶膜,研究了NHMA的共聚含量对凝胶膜的LCST值的影响规律,结果表明:当NHMA的共聚含量为15%时,凝胶膜的LCST值约为42℃。以Fe3O4@PVP超顺磁性纳米粒子作为光子晶体的组装基元,P(NIPAM-co-NHMA)共聚物为温敏凝胶基体,通过磁场诱导、UV聚合相结合的方式制备了体温区温敏性光子晶体凝胶膜。并研究了纳米粒子的粒径、诱导磁场的强度等工艺参数对衍射峰在室温下的初始峰位的影响以及在体温区的峰位变化规律,阐明了当纳米粒子的粒径为131 nm,诱导磁场的强度为250 Gs时,传感器在室温(25℃)时的初始峰位处在800 nm左右,随着温度上升,衍射峰位逐渐蓝移,进入体温区(36~40℃)后结构色从红色变为蓝色。实现了在体温区能够覆盖整个可见光谱,并达到0.5℃的比色监测精度。为裸眼可视的体温监测方式提供了重要的意义。(2)采用光纤光谱仪测试了传感器在36℃、40℃的水溶液中经过8次循环的衍射峰位,探究了传感器在温度变化过程中的循环稳定性和耐久性,结果显示:传感器在8次的循环过程中,处于36℃时的衍射峰位几乎保持在620 nm,在40℃时也能很好地保持在473 nm,响应时间可以控制在4 min内,传感器的结构色在水溶液中维持超过2个月。表明该传感器具有很好的循环稳定性和耐久性。(3)采用25μm厚度的黑色导热石墨烯薄膜作为柔性衬底,利用聚四氟乙烯垫片(PTFE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)将溶胀平衡后的凝胶膜密封在衬底上,制备得到基于体温区的温敏性光子晶体比色传感器。探究了组装基元在凝胶基体中的填充浓度对柔性复合凝胶膜的亮度的影响规律,并通过漆膜弯曲试验仪测试了复合凝胶膜的弯曲度。然后将该膜置于玻璃烧杯外壁,通过恒温加热装置,模拟实际应用环境检测温度比色监测效果。研究结果表明:当预聚液中组装基元的浓度为7.5 mg/ml时,复合凝胶膜的亮度达到最大值为58%,半高峰宽(FWHM)达到最小值为58;复合凝胶膜能够在直径为1 mm的轴上保持完好的外形和结构色,阐明了该膜具有良好的弯曲度,进而能够很好地贴合固体弯曲表面进行温度监测;在恒温加热装置中,当温度设置在36℃、40℃时,复合凝胶膜分别呈现出亮丽的红色和蓝色。表明了基于体温区的温敏性光子晶体比色传感器为新一代可穿戴体温比色传感器提供了重要的理论和实际意义。
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