專利名稱：一種利用三維光子晶體測量pH的方法
技術領域：
本發明涉及一種測量溶液pH值的方法。
背景技術：
pH值是標志溶液酸堿濃度的基本參數，pH值的測量在電力、環保、化工等部門被廣泛應用。目前有多種測量溶液PH值的傳感器，如光化學pH傳感器、離子敏pH傳感器、玻璃電極傳感器、銻電極傳感器、酶PH傳感器等，但這些pH傳感器均不同時具有測量準確、穩定性好等特點。光子晶體這一概念最早是由Yablonovitch和John提出的,其是由不同折射率的介質周期性排列而成的人工微結構。由于其具有光子帶隙的重要優越特點，在很多現代高新技術領域中都扮演著重要角色。光子帶隙是光子晶體最根本的特征，落在帶隙中的光被禁止傳播。由于光子帶隙的存在，人們可以通過設計帶隙實現對各種波長光的操控。影響光子帶隙的因素有兩種介質材料的介電常數比(或折射率比)和光子晶體的結構，因此，改變光子帶隙可以從這兩方面考慮:一是改變折射率進行調制，二是改變晶體自身結構進行調制。目前，主要利用電場調制、磁場調制、壓力調制、光照調制、溫度調制的方法改變光子帶隙。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有方法對溶液pH測量準確度不高和穩定性不好的問題，而提供一種利用三維光子晶體測量PH的方法。本發明利用三維光子晶體測量pH的方法按下列步驟實現:一、向90 120mL超純水中通氮氣,加熱至65 95°C,恒溫25 45min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通過NaOH溶液調節反應體系pH至9 12，加入0.184 0.334g的過硫酸鉀，攪拌均勻，在55 75°C的溫度下反應2 3小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調節微球溶液的體積分數至0.1% 0.3%，放入恒溫箱內，以50 70°C的溫度沉積4 6天得到光子晶體薄膜；三、將步驟二得到的光子晶體薄膜放入不同pH值的溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在不同PH值溶液中的反射光譜曲線，然后擬合出溶液PH值與光子晶體薄膜反射光波峰處波長的關系曲線；四、然后將步驟三中的光子晶體薄膜放入待測溶液中，使用光譜儀測待測溶液中光子晶體薄膜的反射光譜曲線，進而推得待測溶液的PH值；其中步驟一中的甲基丙烯酸和苯乙烯的質量比是(3.6 6.6):1。本發明測量溶液pH值的原理是采用pH調制的方法對三維光子晶體帶隙進行連續調節，利用三維光子晶體帶隙隨溶液的PH變化測量pH值，光子晶體由單分散微球有序緊密排列而成，微球表面可以帶有較多的弱電解質基團，不同PH值下弱電解質基團電離程度不同，導致帶電程度和排斥力不同，進而導致聚合物鏈伸展程度不同，從而改變晶格結構。因此，本發明通過待測溶液PH值來改變光子晶體的晶格結構，進而改變其帶隙，從而達到測量pH的目的。本發明的有益效果在于制備光子晶體薄膜的設備簡單，可連續測量，三維光子晶體薄膜可重復使用，PH測量值準確，誤差小于0.05pH 0.ΙρΗ，測量數值穩定。
圖1是具體實施方式
八步驟二得到的光子晶體薄膜的微觀電鏡照片；圖2是具體實施方式
八步驟三光子晶體薄膜放入？!1=1，？!1=3，？!1=5，？!1=7，？!1=9的5組溶液中的光子晶體薄膜反射光譜變化曲線，I一表示光子晶體薄膜放入PH=I的溶液中的反射光譜變化曲線，2—表示光子晶體薄膜放入pH=3的溶液中的反射光譜變化曲線，3—表示光子晶體薄膜放入pH=5的溶液中的反射光譜變化曲線,4一表示光子晶體薄膜放入pH=7的溶液中的反射光譜變化曲線，5—表示光子晶體薄膜放入pH=9的溶液中的反射光譜變化曲線；圖3是實施例一步驟二得到的光子晶體薄膜的微觀電鏡照片。
具體實施例方式具體實施方式
一:本實施 方式利用三維光子晶體測量pH的方法按下列步驟實施:一、向90 120mL超純水中通氮氣，加熱至65 95°C,恒溫25 45min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通過NaOH溶液調節反應體系pH至9 12，加入0.184 0.334g的過硫酸鉀，攪拌均勻，在55 75°C的溫度下反應2 3小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調節微球溶液的體積分數至0.1% 0.3%，放入恒溫箱內，以50 70°C的溫度沉積4 6天得到光子晶體薄膜；三、將步驟二得到的光子晶體薄膜放入不同pH值的溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在不同PH值溶液中的反射光譜曲線，然后擬合出溶液PH值與光子晶體薄膜反射光波峰處波長的關系曲線；四、然后將步驟三中的光子晶體薄膜放入待測溶液中，使用光譜儀測待測溶液中光子晶體薄膜的反射光譜曲線，進而推得待測溶液的PH值；其中步驟一中的甲基丙烯酸和苯乙烯的質量比是(3.6 6.6):1。本實施方式步驟二中的微球溶液是以超純水為溶劑，微球為溶質。步驟三擬合溶液PH值與光子晶體薄膜反射光波峰處波長的關系的方法可以是以光子晶體薄膜反射光波峰處波長為橫坐標，以溶液PH值為縱坐標描點，在坐標圖上用平滑的線將以光子晶體薄膜反射光波峰處波長為橫坐標、以溶液PH值為縱坐標的點連接起來。本實施方式作為一種測量溶液pH值的新方法，它是利用粒徑對pH響應的單分散微球組裝成帶隙隨PH連續可調的三維有序結構晶體。當溶液的pH值不同時，羧基、羥基以及氨基等弱電解質基團的電離程度發生變化，導致聚合物鏈的伸展程度發生變化，進而導致微球粒徑發生變化。因此，單分散微球的填充率改變，影響光子晶體帶隙，通過反射光譜曲線測出溶液的PH值，通過大量實驗可以總結出經不同pH值溶液浸泡后的光子晶體薄膜反射光譜變化曲線，以此為依據，擬合出溶液PH值與光子晶體薄膜反射光波峰處波長值的關系，從而推知待測溶液的PH值。
具體實施方式
二:本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一攪拌速度為150r/min。其它步驟及參數與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三:本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟一在60 70°C的溫度下反應2 3小時。其它步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四:本實施方式與具體實施方式
一或二不同的是步驟一在65°C的溫度下反應2.5小時。其它步驟及參數與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
五:本實施方式與具體實施方式
一至四之一不同的是步驟二放入恒溫箱內，以60°C的溫度沉積5天。其它步驟及參數與具體實施方式
一至四之一相同。
具體實施方式
六:本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三光子晶體薄膜放入5 35組不同pH值的溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在5 35組不同PH值溶液中的反射光譜曲線。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七:本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟三光子晶體薄膜依次放入 pH= I,pH=2,pH=3,pH=4,pH=5,pH=6,pH=7,pH=8,pH=9，pH=10,pH=ll,pH=12,pH=13，pH=14的14組溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在14組不同pH值溶液中的反射光譜曲線。其它步驟及參數與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
八:本實施方式利用三維光子晶體測量pH的方法按下列步驟實施:一、向IOOmL超純水中通氮氣,加熱至80°C,恒溫30min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通過NaOH溶液調節反應體系pH至11.6，加入0.184g的過硫酸鉀，攪拌均勻，在65°C的溫度下反應2.5小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調節微球溶液的體積分數至0.2%，放入恒溫箱內，以60°C的溫度沉積6天得到光子晶體薄膜；三、將步驟二得到的光子晶體薄膜放入放入PH=I，pH=3,pH=5,pH=7,pH=9的5組溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在5組不同pH值溶液中的反射光譜曲線，然后擬合出溶液pH值與光子晶體薄膜反射光波峰處波長的關系曲線；四、然后將步驟三中的光子晶體薄膜放入待測溶液中，使用光譜儀測待測溶液中光子晶體薄膜的反射光譜曲線，進而推得待測溶液的PH值；其中步驟一中加入甲基丙烯酸的體積為0.67mL，加入苯乙烯的體積為11.6mL。本實施方式步驟二得到的光子晶體薄膜的微觀電鏡照片如圖1所示；本實施方式步驟三光子晶體薄膜放入pH=l，pH=3，pH=5, pH=7, pH=9的5組溶液中的光子晶體薄膜反射光譜變化曲線如圖2所示。實施例一:本實施例利用三維光子晶體測量pH的方法按下列步驟實施:一、向IOOmL超純水中通氮氣，加熱至70°C,恒溫30min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通過NaOH溶液調節反應體系pH至9.6,加入0.184g的過硫酸鉀,攪拌均勻，在60°C的溫度下反應2.5小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調節微球溶液的體積分數至0.1%，放入恒溫箱內，以55°C的溫度沉積5天得到光子晶體薄膜；三、將步驟二得到的光子晶體薄膜依次放入 pH=l, pH=2, pH=3, pH=4, pH=5, pH=6, pH=7, pH=8, pH=9, pH=10,PH=Il, pH=12, pH=13, pH= 14的14組溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在這14組不同PH值溶液中的反射光譜曲線，然后擬合出溶液pH值與光子晶體薄膜反射光波峰處波長的關系曲線；四、然后將步驟三中的光子晶體薄膜放入待測溶液中，使用光譜儀測待測溶液中光子晶體薄膜的反射光譜曲線，進而推得待測溶液的PH值；其中步驟一中加入甲基丙烯酸的體積為0.67mL，加入苯乙烯的體積為11.6mL。本實施例步驟三和四所使用的光譜儀為美國海洋光學光譜儀。本實施例步驟三光子晶體薄膜浸泡于pH=l的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在700nm時出現波峰；浸泡于pH=2的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在725nm時出現波峰；浸泡于pH=3的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在750nm時出現波峰；浸泡于PH=4的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在775nm時出現波峰；浸泡于pH=5的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在800nm時出現波峰；浸泡于pH=6的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在825nm時出現波峰；浸泡于pH=7的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在850nm時出現波峰；浸泡于pH=8的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在875nm時出現波峰；浸泡于pH=9的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在900nm時出現波峰；浸泡于pH=10的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在925nm時出現波峰；浸泡于pH=ll的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在950nm時出現波峰；浸泡于pH=12的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在975nm時出現波峰；浸泡于pH=13的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在IOOOnm時出現波峰；浸泡于PH= 14的溶液中，測得光子晶體薄膜的反射光波長在1025nm時出現波峰。本實施例步驟二得到的光子晶體薄膜的微觀電鏡照片如圖3所示。設溶液pH值為y，光子晶體薄膜的反射光波長在xnm時出現波峰，則擬合得到y=0.04x-27，然后將本實施例步驟三中的光子晶體薄膜放入待測溶液中，使用光譜儀測待測溶液中光子晶體薄膜的反射光譜曲線，得到光子晶體薄膜的反射光波峰處的波長，進而推得待測溶液的PH值。本實施例得到三維光子晶體薄膜可重復使用，測量溶液的pH值準確，誤差小于
0.05pH 0.ΙρΗ，測量數值穩定。
權利要求
1.一種利用三維光子晶體測量pH的方法，其特征在于利用三維光子晶體測量pH的方法按下列步驟實現: 一、向90 120mL超純水中通氮氣，加熱至65 95°C,恒溫25 45min后加入甲基丙烯酸和苯乙烯，然后通過NaOH溶液調節反應體系pH至9 12，加入0.184 0.334g的過硫酸鉀，攪拌均勻，在55 75°C的溫度下反應2 3小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調節微球溶液的體積分數至0.1% 0.3%，放入恒溫箱內，以50 70°C的溫度沉積4 6天得到光子晶體薄膜；三、將步驟二得到的光子晶體薄膜放入不同pH值的溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在不同PH值溶液中的反射光譜曲線，然后擬合溶液PH值與光子晶體薄膜反射光波峰處波長的關系曲線；四、然后將步驟三中的光子晶體薄膜放入待測溶液中，使用光譜儀測待測溶液中光子晶體薄膜的反射光譜曲線，進而推得待測溶液的PH值； 其中步驟一中的甲基丙烯酸和苯乙烯的質量比是(3.6 6.6):1。
2.根據權利要求1所述的一種利用三維光子晶體測量pH的方法，其特征在于步驟一攪拌速度為150r/min。
3.根據權利要求1或2所述的一種利用三維光子晶體測量pH的方法，其特征在于步驟一在60 70°C的溫度下反應2 3小時。
4.根據權利要求1或2所述的一種利用三維光子晶體測量pH的方法，其特征在于步驟一在65°C的溫度下反應2.5小時。
5.根據權利要求1所述的一種利用三維光子晶體測量pH的方法，其特征在于步驟二放入恒溫箱內，以60°C的溫度沉積5天。
6.根據權利要求1所述的一種利用三維光子晶體測量PH的方法，其特征在于步驟三光子晶體薄膜放入5 35組不同pH值的溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在5 35組不同PH值溶液中的反射光譜曲線。
7.根據權利要求1所述的一種利用三維光子晶體測量PH的方法，其特征在于步驟三光子晶體薄膜依次放入 pH=l, pH=2, pH=3, pH=4, pH=5, pH=6, pH=7, pH=8, pH=9, pH=10, pH=ll,pH=12，pH=13，pH=14的14組溶液中，使用光譜儀依次測光子晶體薄膜在14組不同pH值溶液中的反射光譜曲線。
全文摘要
一種利用三維光子晶體測量pH的方法，它涉及一種測量溶液pH值的方法。本發明要解決現有方法對pH測量準確度不高和穩定性不好的問題。方法一、超純水中加入甲基丙烯酸和苯乙烯，調節體系pH，再加入過硫酸鉀攪勻；二、加入超純水調節溶液的體積分數，放入恒溫箱內沉積得到光子晶體薄膜；三、光子晶體薄膜放入不同pH值的溶液中，依次測光子晶體薄膜的反射光譜曲線，擬合出pH值與光子晶體薄膜反射光波峰處波長的關系曲線；四、光子晶體薄膜浸泡于待測溶液中，測反射光譜曲線，推得待測溶液的pH值。本發明制備光子晶體薄膜的設備簡單，薄膜可重復使用，pH測量值準確，測量數值穩定。本發明主要應用于溶液pH值的測量。
文檔編號G01N21/25GK103163082SQ201310045620
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月5日 優先權日2013年2月5日
發明者趙九蓬, 曲慧穎, 李垚, 祁生銘, 潘磊 申請人:哈爾濱工業大學