多功能纤维素基智能示色传感材料的制备与性能研究

作     者：胡靖婉 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁筠

授予年度：2024年

学科分类：082903[工学-林产化学加工工程] 08[工学] 0829[工学-林业工程] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：智能示色 CMC 茜素 金属离子 碳点 

摘      要：智能示色传感材料是一类能够对特定外部刺激作出感知和颜色响应的材料,将此类材料集成到环境变化实时监测设备、可穿戴电子设备、智能纺织品和生物仿真等领域,同时赋予材料多功能性是目前的研究热点。本课题致力于通过设计改性基体、调控示色单元与金属离子的协同配位络合体系,改善了p H响应智能示色材料的示色性能,并赋予其多功能性。此外,为满足材料示色方式多样性、多场景下应用的功能性需求,引入了可用温和工艺制备的具有独特光致发光及p H示色响应的碳点（CDs）,并将CDs包覆于CMC基体中,得到紫外-可见双波段下的多级p H荧光示色传感膜,以拓展其在防伪、生物传感等领域的应用。具体研究内容如下所述: （1）以羧甲基纤维素（CMC）为基体,天然茜素（Alizarin）为示色单元,引入三种不同的金属离子(Ca2+,Ce3+,Ce4+)制备了p H响应智能示色传感膜,探究了金属离子种类与配位时间对传感膜示色性等各项性能的影响。结果表明,因不同金属离子与茜素络合作用的差异,示色膜具有不同的初始颜色,从而呈现不同的示色响应效果。其中,CA-Ce3+的示色性能最为突出,且色差与食品新鲜度变化显示较高的一致性。同时,该材料还具有良好的透明度、紫外阻隔、自愈合、拉伸性能以及突出的抑菌活性。 （2）在前述研究基础上,选择Ce3+离子传感材料,探究配位时间对示色传感膜性能的影响。在实验探究的时间范围内,随着配位时间增加,薄膜最显著的变色区间向低p H方向移动,证明了一定范围内可以通过调控配位时间来实现对薄膜p H变色区间的可控调整,以适应在不同场景下的使用需求。此外CA-Ce3+-T薄膜的紫外阻隔性能也随着配位时间的延长而增强,薄膜的拉伸强度也有所提升。 （3）通过对CA-Ce4+进行叠层结构设计,弥补了传感膜因Ce4+溶液对基体的强质子化作用而受抑制的示色响应。所得的ILC-CA-Ce4+薄膜在获得了颜色响应功能性的同时,保留了CA-Ce4+优异的紫外阻隔性能,为拓展CA-Ce4+薄膜的更广泛应用提供了更多可能性。 （4）以柠檬酸（CA）和邻苯二胺（oPD）为前驱体,1-丁基-3-甲基咪唑氯化盐（Bmim Cl）离子液体介导辅助制备了p H响应荧光碳点,探究了不同前驱体配比对所合成碳点的荧光发射性能的影响。结果表明,不同前驱体配比合成的CDs具有不同的荧光颜色和最大激发波长,所制备的CDs呈现对酸性环境敏感的不同示色响应及荧光强度变化。制备的p H响应智能示色传感膜C@CDs具有较灵敏的多级示色防伪效果。特别是C@CD-2膜在p H示色响应的基础上,其荧光发射波长随着激发波长增大发生明显红移,在360nm和420nm波长光照射下由黄绿色变为橙黄色。并且C@CD-2对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌显示出一定的抑菌活性。C@CDs的智能多级示色防伪和智能可穿戴人体汗液传感场景验证,表明其可为可穿戴电子设备和防伪材料的发展提供新思路。