乙醇濃度比色傳感器可快速、簡便地測定酒精含量，為酒類商品的質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)，為相關(guān)化工動力學(xué)的分析提供了方法。典型的化學(xué)色比色傳感器是基于吸收或熒光發(fā)射的響應(yīng)性染料，其變色范圍較窄，且響應(yīng)時間較長，降低了用戶體驗感。而物理色比色傳感器，例如響應(yīng)性光子晶體，其生色原理是光在周期性微納結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的散射、干涉或衍射，表現(xiàn)出可重復(fù)使用性及響應(yīng)快速性，且不依賴于高科技設(shè)備。光子晶體利用共聚物在乙醇-水混合體系中的膨脹或收縮效應(yīng)，通過衍射位移來識別乙醇濃度。然而，這些光子晶體要么沒有全乙醇濃度可檢測性，要么由于較大的半峰寬而顯示出難以區(qū)分的結(jié)構(gòu)色，基于水凝膠基質(zhì)的光子晶體則需要較長的響應(yīng)平衡時間，不確定性較大。因此，開發(fā)具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)色輸出和全乙醇濃度響應(yīng)的比色光子試紙必將掀起相關(guān)傳感器的變革。
鑒于此，大連理工大學(xué)化工學(xué)院博士后齊勇、智能材料前沿科學(xué)中心張淑芬教授，通過光子晶體將具有主動控水性能的共聚物與多孔結(jié)構(gòu)橋聯(lián)，制備出一種新型比色光子試紙（CPI），它能快速（小于1秒）區(qū)分濃度為0 ~ 100%的乙醇溶液。CPI的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)來源于柔性形狀記憶反蛋白石，骨架材料是根據(jù)水在丙烯酸酯共聚物中的菲克擴(kuò)散反向設(shè)計的。CPI可以在干燥無色狀態(tài)和溶脹的強(qiáng)彩虹狀態(tài)之間切換，裸眼可區(qū)分的濃度間隔達(dá)到5%左右；乙醇-水混合液蒸發(fā)/擴(kuò)散過程中乙醇濃度的變化，CPI可實時可視化監(jiān)測相關(guān)動力學(xué)。通過跟蹤酒精蒸餾過程中餾出液乙醇濃度的變化，進(jìn)一步證實了CPI作為一種便攜式比色傳感器在視覺測量和化學(xué)工程動力學(xué)分析中的實用性，為精餾相關(guān)化工設(shè)備的參數(shù)設(shè)定提供了可視化分析方法和工具，為未來相關(guān)的蒸發(fā)、擴(kuò)散和蒸餾研究提供了啟示。 如圖1所示，根據(jù)菲克擴(kuò)散原理，CPI在水中的低膨脹指數(shù)（0.03）表明其不會產(chǎn)生無限制或劇烈溶脹，利于光子晶體輸出穩(wěn)定的反射光譜。不同孔徑的CPI均顯示較低的半峰寬（小于33 納米），利于提高相鄰乙醇濃度對應(yīng)的結(jié)構(gòu)色的區(qū)分度。CPI在1s內(nèi)即可達(dá)到響應(yīng)平衡，輸出穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)色（0%濃度對應(yīng)波長為~477 納米, 呈藍(lán)色）。隨著乙醇濃度的增加，CPI的最大反射峰遞增，在~75%濃度達(dá)到最大值（~628納米，呈紅色），最大反射波長跨度超過150納米。隨乙醇濃度進(jìn)一步增加，最大反射峰不斷藍(lán)移，在100%濃度時，顯示綠色結(jié)構(gòu)色（對應(yīng)波長為~555納米）。對于相似的結(jié)構(gòu)色，可能對應(yīng)兩種濃度值，通過蒸發(fā)或添加乙醇/水均可區(qū)分。例如60%和90%的乙醇溶液，在蒸發(fā)過程中，高濃度混合液對應(yīng)的結(jié)構(gòu)色先紅移，后藍(lán)移；而低濃度混合液對應(yīng)的結(jié)構(gòu)色僅顯示藍(lán)移。
如圖2所示，測定了水浸泡后的CPI在干燥過程中的紅外光譜，通過二維相關(guān)分析，明確了CPI 共聚物鏈間氫鍵（包括羧基二聚氫鍵）重塑的關(guān)鍵作用，在脫水過程中被加強(qiáng)，其它羰基從水合狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊撍疇顟B(tài)，而醚基團(tuán)在經(jīng)歷脫水過程后與羧基形成氫鍵。相應(yīng)的逆過程即為CPI的水響應(yīng)歷程， CPI鏈中的羧基首先與水形成氫鍵，打開自封閉的鏈間氫鍵，水進(jìn)一步與醚和酯基結(jié)合形成新的氫鍵，導(dǎo)致CPI的進(jìn)一步溶脹和反蛋白石孔形變，產(chǎn)生變化的結(jié)構(gòu)色。羧基產(chǎn)生的鏈間氫鍵調(diào)節(jié)了CPI的刺激溶脹和變色行為，賦予CPI主動溶劑控制和顏色輸出性能。
圖2. 水浸泡后的CPI在干燥過程中的紅外光譜及二維相關(guān)分析、共聚物可能的水響應(yīng)機(jī)制、由丙烯酸丁酯或乙烯基咪唑替代丙烯酸制備的CPI在不同濃度乙醇溶液中的反射光譜及CPI在壓縮過程中的反射光譜
圖3. CPI在30%乙醇-水混合液的蒸餾過程中的視覺傳感性能
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722066657
課題組鏈接：http://dyechem.dlut.edu.cn/index.htm
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