專利名稱：一種利用三維光子晶體測量pH的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量溶液pH值的方法。
背景技術(shù)：
pH值是標(biāo)志溶液酸堿濃度的基本參數(shù)，pH值的測量在電力、環(huán)保、化工等部門被廣泛應(yīng)用。目前有多種測量溶液PH值的傳感器，如光化學(xué)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(zhǔn)確、穩(wěn)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(zhì)周期性排列而成的人工微結(jié)構(gòu)。由于其具有光子帶隙的重要優(yōu)越特點，在很多現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)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(shè)計帶隙實現(xiàn)對各種波長光的操控。影響光子帶隙的因素有兩種介質(zhì)材料的介電常數(shù)比(或折射率比)和光子晶體的結(jié)構(gòu)，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(jìn)行調(diào)制，二是改變晶體自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制。目前，主要利用電場調(diào)制、磁場調(diào)制、壓力調(diào)制、光照調(diào)制、溫度調(diào)制的方法改變光子帶隙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有方法對溶液pH測量準(zhǔn)確度不高和穩(wěn)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(fā)明利用三維光子晶體測量pH的方法按下列步驟實現(xiàn):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(diào)節(jié)反應(yīng)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(yīng)2 3小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調(diào)節(jié)微球溶液的體積分?jǐn)?shù)至0.1% 0.3%，放入恒溫箱內(nèi)，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(guān)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(jìn)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(zhì)量比是(3.6 6.6):1。本發(fā)明測量溶液pH值的原理是采用pH調(diào)制的方法對三維光子晶體帶隙進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，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(zhì)基團，不同PH值下弱電解質(zhì)基團電離程度不同，導(dǎo)致帶電程度和排斥力不同，進(jìn)而導(dǎo)致聚合物鏈伸展程度不同，從而改變晶格結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明通過待測溶液PH值來改變光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變其帶隙，從而達(dá)到測量pH的目的。本發(fā)明的有益效果在于制備光子晶體薄膜的設(shè)備簡單，可連續(xù)測量，三維光子晶體薄膜可重復(fù)使用，PH測量值準(zhǔn)確，誤差小于0.05pH 0.ΙρΗ，測量數(shù)值穩(wěn)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(diào)節(jié)反應(yīng)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(yīng)2 3小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調(diào)節(jié)微球溶液的體積分?jǐn)?shù)至0.1% 0.3%，放入恒溫箱內(nèi)，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(guān)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(jìn)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(zhì)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(zhì)。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(guān)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(biāo)，以溶液PH值為縱坐標(biāo)描點，在坐標(biāo)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(biāo)、以溶液PH值為縱坐標(biāo)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(yīng)的單分散微球組裝成帶隙隨PH連續(xù)可調(diào)的三維有序結(jié)構(gòu)晶體。當(dāng)溶液的pH值不同時，羧基、羥基以及氨基等弱電解質(zhì)基團的電離程度發(fā)生變化，導(dǎo)致聚合物鏈的伸展程度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致微球粒徑發(fā)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(jié)出經(jīng)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(jù)，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(guān)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(shù)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(yīng)2 3小時。其它步驟及參數(shù)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(yīng)2.5小時。其它步驟及參數(shù)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(nèi)，以60°C的溫度沉積5天。其它步驟及參數(shù)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(shù)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(shù)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(diào)節(jié)反應(yīng)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(yīng)2.5小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調(diào)節(jié)微球溶液的體積分?jǐn)?shù)至0.2%，放入恒溫箱內(nèi)，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(guān)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(jìn)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(diào)節(jié)反應(yīng)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(yīng)2.5小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調(diào)節(jié)微球溶液的體積分?jǐn)?shù)至0.1%，放入恒溫箱內(nèi)，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(guān)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(jìn)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(xué)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(shè)溶液pH值為y，光子晶體薄膜的反射光波長在xnm時出現(xiàn)波峰，則擬合得到y(tǒng)=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(jìn)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(fù)使用，測量溶液的pH值準(zhǔn)確，誤差小于
0.05pH 0.ΙρΗ，測量數(shù)值穩(wěn)定。
權(quán)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(xiàn): 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(diào)節(jié)反應(yīng)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(yīng)2 3小時，得到微球溶液；二、微球溶液中加入超純水調(diào)節(jié)微球溶液的體積分?jǐn)?shù)至0.1% 0.3%，放入恒溫箱內(nèi)，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(guān)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(jìn)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(zhì)量比是(3.6 6.6):1。
2.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(yīng)2 3小時。
4.根據(jù)權(quán)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(yīng)2.5小時。
5.根據(jù)權(quán)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(nèi)，以60°C的溫度沉積5天。
6.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(fā)明要解決現(xiàn)有方法對pH測量準(zhǔn)確度不高和穩(wěn)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(diào)節(jié)體系pH，再加入過硫酸鉀攪勻；二、加入超純水調(diào)節(jié)溶液的體積分?jǐn)?shù)，放入恒溫箱內(nèi)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(guān)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(fā)明制備光子晶體薄膜的設(shè)備簡單，薄膜可重復(fù)使用，pH測量值準(zhǔn)確，測量數(shù)值穩(wěn)定。本發(fā)明主要應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者趙九蓬, 曲慧穎, 李垚, 祁生銘, 潘磊 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)