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四川大學褚良銀教授課題組《Chem. Mater.》:基于光致變色水凝膠和光敏電阻的紫外線輻照劑量實時定量化檢測系統
2022-09-12  來源:高分子科技

  紫外線在工業生產、醫療、環境、電子通訊等領域發揮著非常重要的作用。比如,在工業生產中,紫外線被廣泛用于高分子樹脂產品固化和CPU芯片制造;在醫療領域,紫外線被用于皮膚病(如銀屑病、白癜風和玫瑰糠疹)等疾病的治療。然而,過量的紫外線輻照劑量往往會影響產品質量或危害人體健康,因而需要對紫外線輻照劑量進行準確控制。因此,紫外線輻照劑量的實時定量化檢測對于紫外線輻照在工業生產和醫療等領域的高效應用具有重要意義。


  近期,四川大學化學工程學院褚良銀教授研究團隊報道了一種基于光致變色水凝膠和光敏電阻的新型檢測系統,實現了對紫外線輻照劑量的實時定量化檢測。如圖1所示,該系統中的光致變色水凝膠主要以聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)(PDMAA)作為高分子骨架,以四水合鉬酸銨(Mo(VI))作為紫外光輻照感應受體。在紫外光輻照下,凝膠網絡中四水合鉬酸銨晶體內的MoO6正八面體將發生 Mo的電子從配體向金屬(LMCT)躍遷,使Mo(VI)被還原為Mo(V),從而導致凝膠從無色透明轉變為藍綠色,實現從紫外光輻照劑量到顏色變化的信號轉化。進一步地,利用光敏電阻的光電效應,將凝膠的顏色變化轉化為易于定量讀取的電阻變化信號,從而實現對紫外光輻照劑量的實時定量化檢測。基于上述原理,構建了基于該光致變色水凝膠和光敏電阻的定量化檢測系統如圖2所示。該系統從上至下排列的光致變色水凝膠、紅色濾光片和光敏電阻組成了響應紫外光輻照劑量的檢測探頭。由于凝膠響應紫外線輻照后最大吸收峰λ=740 nm處于紅光范圍,因此紅色濾光片用于增強其在紅光范圍內的透過率變化,以放大紫外光輻照引起的顏色變化信號。通過測定光敏電阻阻值與紫外輻照劑量之間的定量關系并擬合方程,則可便捷地通過檢測光敏電阻的阻值變化來實現對紫外光輻照劑量的定量檢測。


基于光致變色水凝膠和光敏電阻的紫外線輻照劑量實時定量化檢測系統的工作原理 


基于光致變色水凝膠和光敏電阻的紫外線輻照劑量實時定量化檢測系統及其檢測性能


  通過將上述光敏電阻與自制印刷電路板(PCB)相連接組成了自動化報警系統(圖3),實現了對紫外輻照劑量的實時監測、超劑量及時報警及終止。通過改變PCB電路板上滑動變阻器的數值,該自動化報警系統可靈活實現對1.5 ~ 50 J·cm-2紫外線輻照劑量的監測、報警和防過量輻照。當紫外線輻照劑量到達設定的報警閾值時,紅色LED燈自動點亮并啟動蜂鳴報警器,同時紫外燈電源由ON狀態切換至“OFF”狀態,自動切斷紫外線輻照。這種紫外光輻照劑量檢測系統在工業生產和醫療等領域的紫外光輻照劑量實時定量化監測和控制方面具有廣闊的應用前景。


紫外線輻照劑量實時定量化檢測系統用于紫外線輻照劑量實時監測、以及過量紫外輻照及時報警及終止


  相關研究成果以Real-Time Quantitative Detection of Ultraviolet Radiation Dose Based on Photochromic Hydrogel and Photo-Resistance”為題發表于Chemistry of MaterialsDOI10.1021/acs.chemmater.2c01761)。論文第一作者為四川大學化工學院博士研究生文國宇,通訊作者為四川大學褚良銀教授和汪偉教授。本研究得到了國家自然科學基金重大項目課題(21991101)和四川大學工科特色團隊資助項目(2020SCUG112)的資助。


  文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c01761

  課題組主頁:http://teacher.scu.edu.cn/ftp_teacher0/cly/index.htm

  下載:Real-Time Quantitative Detection of Ultraviolet Radiation Dose Based on Photochromic Hydrogel and Photo-Resistance

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(責任編輯:xu)
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