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大連理工智能材料前沿科學中心張淑芬教授團隊《Chem. Eng. J.》：全乙醇濃度傳感的便攜式比色光子試紙

2023-01-16 來源：高分子科技

乙醇濃度比色傳感器可快速、簡便地測定酒精含量，為酒類商品的質量控制奠定了基礎，為相關化工動力學的分析提供了方法。典型的化學色比色傳感器是基于吸收或熒光發射的響應性染料，其變色范圍較窄，且響應時間較長，降低了用戶體驗感。而物理色比色傳感器，例如響應性光子晶體，其生色原理是光在周期性微納結構表面產生的散射、干涉或衍射，表現出可重復使用性及響應快速性，且不依賴于高科技設備。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，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分的結構色，基于水凝膠基質的光子晶體則需要較長的響應平衡時間，不確定性較大。因此，開發具有優異結構色輸出和全乙醇濃度響應的比色光子試紙必將掀起相關傳感器的變革。

鑒于此，大連理工大學化工學院博士后齊勇、智能材料前沿科學中心張淑芬教授，通過光子晶體將具有主動控水性能的共聚物與多孔結構橋聯，制備出一種新型比色光子試紙（CPI），它能快速（小于1秒）區分濃度為0 ~ 100%的乙醇溶液。CPI的結構基礎來源于柔性形狀記憶反蛋白石，骨架材料是根據水在丙烯酸酯共聚物中的菲克擴散反向設計的。CPI可以在干燥無色狀態和溶脹的強彩虹狀態之間切換，裸眼可區分的濃度間隔達到5%左右。基于乙醇-水混合液蒸發/擴散過程中乙醇濃度的變化，CPI可實時可視化監測相關動力學。通過跟蹤酒精蒸餾過程中餾出液乙醇濃度的變化，進一步證實了CPI作為一種便攜式比色傳感器在視覺測量和化學工程動力學分析中的實用性，為精餾相關化工設備的參數設定提供了可視化分析方法和工具，為未來相關的蒸發、擴散和蒸餾研究提供了啟示。如圖1所示，根據菲克擴散原理，CPI在水中的低膨脹指數（0.03）表明其不會產生無限制或劇烈溶脹，利于光子晶體輸出穩定的反射光譜。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的結構色的區分度。CPI在1s內即可達到響應平衡，輸出穩定的結構色（0%濃度對應波長為~477 納米, 呈藍色）。隨著乙醇濃度的增加，CPI的最大反射峰遞增，在~75%濃度達到最大值（~628納米，呈紅色），最大反射波長跨度超過150納米。隨乙醇濃度進一步增加，最大反射峰不斷藍移，在100%濃度時，顯示綠色結構色（對應波長為~555納米）。對于相似的結構色，可能對應兩種濃度值，通過蒸發或添加乙醇/水均可區分。例如60%和90%的乙醇溶液，在蒸發過程中，高濃度混合液對應的結構色先紅移，后藍移；而低濃度混合液對應的結構色僅顯示藍移。

圖1. CPI在水中的溶脹動力學曲線、水響應過程、不同濃度乙醇溶液對應的反射光譜/照片及相似結構色對應混合液的蒸發過程

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）重塑的關鍵作用，在脫水過程中被加強，其它羰基從水合狀態轉變為脫水狀態，而醚基團在經歷脫水過程后與羧基形成氫鍵。相應的逆過程即為CPI的水響應歷程， CPI鏈中的羧基首先與水形成氫鍵，打開自封閉的鏈間氫鍵，水進一步與醚和酯基結合形成新的氫鍵，導致CPI的進一步溶脹和反蛋白石孔形變，產生變化的結構色。羧基產生的鏈間氫鍵調節了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分析、共聚物可能的水響應機制、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

如圖3所示，通過跟蹤 30% 酒精蒸餾過程中餾分的乙醇濃度，進一步驗證了 CPI 的實用性。蒸餾前期（<15分鐘），餾出液中乙醇濃度較高（>75%），中期乙醇濃度保持穩定（～75%），之后逐漸下降。最后， 200 毫升的 30% 乙醇-水混合液被分成～70毫升餾分和～125毫升塔釜液（蒸餾液，~529納米，綠色，濃度~30%；餾分，~628 納米，紅色，濃度~75%；塔釜液，~489 納米, 淺藍色, 濃度~5%)。這些參數無疑為蒸餾/精餾相關化工設備的工藝優化和工程動力學分析提供了參考，將促進乙醇工業的智能化發展。

圖3. CPI在30%乙醇-水混合液的蒸餾過程中的視覺傳感性能

相關成果近日以“Portable Colorimetric Photonic Indicator for Ethanol Concentration Sensing”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上，Chem. Eng. J. 2023, 457, 141184.（DOI:10.1016/j.cej.2022.141184），通訊作者為大連理工大學精細化工國家重點實驗室、智能材料前沿科學中心張淑芬教授，第一作者為化工學院博士后齊勇。

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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（責任編輯：xu）

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