技术领域本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种高衍射强度的二维胶体晶体(例如：该胶体晶体可以采用聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、二氧化硅(SiO2)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))-金(化学元素符号：Au)阵列/智能水凝胶复合材料及可视化传感器。
背景技术：
目前，针对生物化学物质进行检测主要是依靠拉曼光谱分析法、质谱法、荧光法等传统的分析方法，但这些分析方法不仅需要昂贵的设备，而且分析过程较为复杂，需要经过专业培训的人员才能进行仪器操作和分析，此外这些分析方法还无法实现生物化学物质的实时在线检测，因此如何简单、经济、快速、稳定地对生物化学物质进行检测成为亟待解决的难题。为了解决这一难题，近年来研究人员研发出一种由胶体晶体与智能水凝胶复合的传感器。胶体晶体是由次微米或者微米尺寸的胶体球(次微米或者微米尺寸的胶体球通常称为胶体微球)自组装而成的有序结构。水凝胶是一种含有大量溶剂的亲水性高分子三维网络，它在水中溶胀但不溶解。根据水凝胶对外界刺激响应情况的不同，水凝胶可分为普通水凝胶和智能水凝胶；普通水凝胶的溶胀率不随外界条件的变化而变化；智能水凝胶能感知外界环境细微的物理变化或化学变化(例如：pH值、温度、压力、电场、磁场、离子强度、紫外光、可见光、特异化学物质等的变化)，并通过体积的溶胀或收缩来响应这些外界刺激，因此也称为环境敏感型水凝胶。将胶体晶体与智能水凝胶复合后，当智能水凝胶感知到外界物质刺激时，智能水凝胶感的体积会迅速膨胀或收缩，这会使胶体晶体的胶体微球间距发生改变，而胶体晶体的光学性质(或颜色)会随着胶体微球间距的变化而呈现相应的变化，从而就形成了胶体晶体与智能水凝胶复合的传感器；如果将胶体晶体呈现相应变化的衍射光波调制到可见光区，那么该传感器对外界刺激的变化，就可以直接通过宏观颜色的改变呈现出来，从而就可以形成可视化传感器。但在现有技术中，由于胶体晶体的胶体微球反射率很低，因此胶体晶体与智能水凝胶复合的传感器对可见光的衍射强度也非常低，只有借助铝镜、金镜、银镜等高反射镜，才能获得相应的光学响应表征，这使得胶体晶体与智能水凝胶复合的传感器在实际应用方面受到很大的局限。
技术实现要素：
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料及可视化传感器，能够在不借助高反射镜的条件下获得强烈的衍射信号，并且具有敏感性、制备工序简单、成本低廉，适合实际工业应用。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料，采用以下步骤制成：步骤A、在基底上制备单层胶体晶体阵列，并以该单层胶体晶体阵列为模板，采用物理沉积方法在所述模板的表面沉积一层厚度为35～50nm的金膜，从而制得以该金膜为外壳的二维胶体晶体-金阵列；步骤B、将智能水凝胶的反应液注入到所述的二维胶体晶体-金阵列上，并加盖玻璃片，然后进行10～30min的光聚合处理，再经过剥离，水洗后，制得种高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料。优选地，所述的在基底上制备单层胶体晶体阵列包括以下步骤：步骤A1、将玻璃基底依次放入丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，再对清洗后的玻璃基底进行烘干处理，然后放置于紫外臭氧清洗机中辐照10～40min，从而获得表面亲水的玻璃基底；步骤A2、将步骤A1处理后的玻璃基底上注入一层水膜，之后逐滴滴入胶体微球乙醇稀释液，并采用气-液界面自组装方法在所述玻璃基底上制备出单层胶体晶体阵列。优选地，所述的胶体微球乙醇稀释液采用以下方法制备而成：取胶体微球直径为350～1000nm的胶体微球悬浮液，并与乙醇等体积混合，再进行10～20min的超声振荡处理，从而制得分散均匀的胶体微球乙醇稀释液。优选地，所述智能水凝胶的反应液采用以下方法制备而成：步骤B1、按照每0.33g2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮使用1ml二甲基亚砜的比例，将2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮溶于二甲基亚砜中，从而制得光引发剂溶液；步骤B2、按照水﹕丙烯酸﹕N，N-亚甲基双丙烯酰胺﹕光引发剂溶液＝5ml﹕5ml﹕0.08g﹕500μL的比例，将水、丙烯酸、N，N-亚甲基双丙烯酰胺与所述光引发剂溶液混合，搅拌均匀后，制得pH值敏感型水凝胶的反应液；将该pH值敏感型水凝胶的反应液作为智能水凝胶的反应液。优选地，所述物理沉积方法包括磁控溅射沉积、热蒸发沉积或者电子束蒸发沉积。一种可视化传感器，包括：采用上述技术方案中所述的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料直接作为可视化传感器。优选地，将该可视化传感器放入待测液体中浸泡12小时，再进行光谱测试，从而实现对待测液体的pH值进行可视化探测。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料以单层胶体晶体阵列为模板，并采用物理沉积方法在所述模板的表面沉积一层金膜，从而制得以该金膜为外壳的二维胶体晶体-金阵列；然后通过将智能水凝胶的反应液注入所述二维胶体晶体-金阵列上，并进行光聚合处理，从而制得了高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料。由于单层胶体晶体阵列表面覆盖了一层金膜，因此本发明所制得的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料具有良好的敏感性和较高的衍射强度，即使在透明基底(例如：石英)上也可以测得强烈的衍射信号，从而可以在不借助高反射镜的条件下获得强烈的衍射信号，适合作为可视化传感器使用。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为采用Sirion200场发射扫描电子显微镜分别对本发明实施例1中步骤c制得的二维PS-Au阵列以及步骤f最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料进行拍摄而得到的扫描电子显微镜照片。图2为利用Cary500分别对二维PS阵列/智能水凝胶复合材料以及本发明实施例1中步骤f最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料经不同pH值的缓冲液浸泡后进行吸收光谱测试获得的吸收图谱。图3为利用IdeaOpticsPG2000-Pro-EXSpectrometer和R1-A-UV支架分别对二维PS阵列/智能水凝胶复合材料以及本发明实施例1中最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料经不同pH值的缓冲液浸泡后置于石英上进行衍射光谱测试获得的衍射图谱。图4为二维PS阵列/智能水凝胶复合材料与本发明实施例1中最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料的衍射强度对比图。图5为本发明实施例二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料制备方法的流程示意图。具体实施方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面对本发明所提供的高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料及可视化传感器进行详细描述。一种高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料，采用以下步骤制成：步骤A、在基底上制备单层胶体晶体阵列(例如：该胶体晶体阵列可以采用聚苯乙烯胶体晶体阵列、二氧化硅胶体晶体阵列或聚甲基丙烯酸甲酯胶体晶体阵列)，并以该单层胶体晶体阵列为模板，采用物理沉积方法在所述模板的表面沉积一层厚度为35～50nm的金膜，从而制得以该金膜为外壳的二维胶体晶体-金阵列(例如：该二维胶体晶体-金阵列可以为二维PS-Au阵列、二维SiO2-Au阵列或二维PMMA-Au阵列)。其中，所述物理沉积方法包括磁控溅射沉积、热蒸发沉积或者电子束蒸发沉积。具体地，所述的在基底上制备单层胶体晶体阵列可以包括以下步骤：步骤A1、将玻璃基底(例如：该玻璃基底可以为载玻片)依次放入丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，每种液体中都超声清洗40min，再对清洗后的玻璃基底进行烘干处理，然后放置于紫外臭氧清洗机中辐照10～40min，从而获得表面亲水的玻璃基底。步骤A2、将步骤A1处理后的玻璃基底上注入一层水膜，之后逐滴滴入胶体微球乙醇稀释液(例如：该胶体微球可以采用聚苯乙烯胶体微球、二氧化硅胶体微球或聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球)，并采用气-液界面自组装方法在所述玻璃基底上制备出单层胶体晶体阵列。在实际应用中，取胶体微球直径为350～1000nm的胶体微球悬浮液(例如：该胶体微球悬浮液可以采用聚苯乙烯胶体微球悬浮液、二氧化硅胶体微球悬浮液或聚甲基丙烯酸甲酯胶体微球悬浮液)，并与乙醇等体积混合，再进行10～20min的超声振荡处理，从而制得分散均匀的胶体微球乙醇稀释液。步骤B、将智能水凝胶的反应液注入所述的二维胶体晶体-金阵列上，并加盖玻璃片(例如：该玻璃片可以为盖玻片)，然后进行15～30min的光聚合处理，再经过剥离，水洗后，即可制得高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料。具体地，所述智能水凝胶的反应液可以采用现有技术中任何一种用于制备智能水凝胶的反应液，也可以采用以下方法制备而成的智能水凝胶的反应液：步骤B1、按照每0.33g2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮使用1ml二甲基亚砜的比例，将2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮溶于二甲基亚砜中，从而配制出光引发剂溶液。步骤B2、按照水﹕丙烯酸﹕N，N-亚甲基双丙烯酰胺﹕光引发剂溶液＝5ml﹕5ml﹕0.08g﹕500μL的比例，将水、丙烯酸、N，N-亚甲基双丙烯酰胺与所述光引发剂溶液混合，搅拌均匀后，制得pH值敏感型水凝胶的反应液；将该pH值敏感型水凝胶的反应液作为智能水凝胶的反应液。除了上述技术方案外，本发明还提供了一种可视化传感器，它采用上述技术方案中所述的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料直接作为可视化传感器，例如：当智能水凝胶的反应液采用上述技术方案中所提供的pH值敏感型水凝胶的反应液时，最终制得的是一种对pH值敏感的可视化传感器，将该对pH值敏感的可视化传感器放入待测液体中浸泡12小时，再进行光谱测试，从而即可实现对待测液体的pH值进行可视化探测。经检测：通过吸收光谱仪可以测出该可视化传感器具有明显的光谱信号，并且随着待测液体pH值的变化，光谱的峰值也会发生相应移动。与现有技术相比，本发明所提供的高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料至少具有以下有益效果：第一，当将本发明实施例所提供的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料用作可视化传感器时，由于单层胶体晶体阵列表面覆盖了一层金膜，而金膜对光具有良好的敏感性和较高的衍射强度，因此该可视化传感器对光也具有良好的敏感性和较高的衍射强度，从而就可以在不借助高反射镜的条件下获得强烈的衍射信号。第二，本发明实施例所提供的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料通过改变智能水凝胶的种类，可以制备出对不同物质敏感的可视化传感器，例如：对葡萄糖敏感的可视化传感器，对温度敏感的可视化传感器等，因此该二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料具有十分广泛的应用前景。第三，本发明实施例所提供的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料仅需实验室常用的普通设备就可以制备，无需购买专用设备，而且制备工序简单、容易操作。综上可见，本发明实施例能够在不借助高反射镜的条件下获得强烈的衍射信号，并且具有敏感性、制备工序简单、成本低廉，适合实际工业应用。为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的高衍射强度的二维胶体晶体-金阵列/智能水凝胶复合材料及可视化传感器进行详细描述。实施例1如图5所示，一种二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料，采用以下步骤制备而成：步骤a、将载玻片依次放入丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，每种液体中都超声清洗40min，再对清洗后的载玻片放入烘箱进行烘干处理，烘干温度为70℃，烘干时间为30min；待载玻片上的水分完全蒸发后，将载玻片放置于紫外臭氧清洗机中辐照30min，从而获得表面具有良好亲水性的载玻片。步骤b、取40微升直径为350nm的聚苯乙烯胶体球悬浮液(2.5wt.％)，并与乙醇等体积混合，再进行10min的超声振荡处理，从而制得成分均一的聚苯乙烯胶体球乙醇稀释液；将步骤a处理后的载玻片放入聚苯乙烯胶体球乙醇稀释液，并采用气-液界面自组装方法在所述载玻片上合成单层聚苯乙烯胶体球晶体阵列(如图5a所示)。步骤c、以步骤b合成的单层聚苯乙烯胶体球晶体阵列为模板，采用磁控溅射沉积方法(磁控溅射沉积的处理电流为20mA，磁控溅射沉积的处理时间为8min)在所述模板的表面沉积一层厚度为35～50nm的金膜，从而制得以该金膜为外壳的二维PS-Au阵列(如图5b所示)。步骤d、按照每0.33g2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮使用1ml二甲基亚砜的比例，将2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮溶于二甲基亚砜中，从而制得光引发剂溶液。步骤e、按照水﹕丙烯酸﹕N，N-亚甲基双丙烯酰胺﹕光引发剂溶液＝5ml﹕5ml﹕0.08g﹕500μL的比例，将水、丙烯酸、N，N-亚甲基双丙烯酰胺与步骤d制得的光引发剂溶液混合，搅拌均匀后，制得pH值敏感型水凝胶的反应液。步骤f、将步骤e制得的pH值敏感型水凝胶的反应液注入步骤c制得的二维PS-Au阵列上，并加盖盖玻片，然后进行30min的光聚合处理(如图5c所示，光聚合处理满足：紫外灯的波长：365nm，功率：16W)，再经过剥离，水洗后，即可制得对pH值敏感的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料(如图5d所示)。进一步地，在按照上述本发明实施例1的步骤制备二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料的过程中，分别进行光谱测量和光学照片拍摄，具体检测结果如下：(1)采用Sirion200场发射扫描电子显微镜对本发明实施例1中步骤c制得的二维PS-Au阵列以及步骤f最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料进行观察，并拍摄如图1所示的扫描电子显微镜照片(SEM图像)；其中，图1a为本发明实施例1中步骤c制得的二维PS-Au阵列的低倍俯视SEM图像，图1b为本发明实施例1中步骤c制得的二维PS-Au阵列的高倍斜视SEM图像，图1c为本发明实施例1中步骤c制得的二维PS-Au阵列在去除PS后留下的金壳的高倍SEM图像，图1d为本发明实施例1中步骤f最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料的俯视SEM图像，图1e为本发明实施例1中步骤f最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料的斜视SEM图像。由如图1a所示的SEM图像可以看出：以金膜为外壳PS-Au颗粒呈规整的周期性排列；由如图1b和1c所示的SEM图像可以清楚地看出：颗粒由金壳和PS球两部分组成的；由如图1d所示的SEM图像可以看出：二维PS-Au阵列可以很好地转移在水凝胶膜上，同时该二维PS-Au阵列的规整性没有被打破；由如图1e所示的SEM图像可以看出：二维PS-Au阵列是单层负载在水凝胶薄膜上的。由此可见，本发明实施例1成功制备出了以金膜为外壳、周期性排列的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料。(2)将本发明实施例1制得的对pH值敏感的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料分别置于不同pH值的缓冲液中，浸泡12小时，再利用Cary500进行吸收光谱测量；同时，制备二维PS阵列/智能水凝胶复合材料，并分别置于不同pH值的缓冲液中，浸泡12小时，再利用Cary500进行吸收光谱对比测量；从而得到如图2所示的不同pH值的吸收光谱示意图；其中，图2a为本发明实施例1中步骤f最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料经不同pH值的缓冲液浸泡后进行吸收光谱测试获得的吸收图谱，图2a的横坐标为Wavelength(即波长)，单位为nm(即纳米)，图2a的纵坐标为Abs(即Absorption，吸收强度)；图2b为二维PS阵列/智能水凝胶复合材料经不同pH值的缓冲液浸泡后进行吸收光谱测试获得的吸收图谱，图2b的横坐标为Wavelength(即波长)，单位为nm(即纳米)，图2b的纵坐标为Abs(即Absorption，吸收强度)。由图2a可以看出：吸收图谱中有明显的峰值，并且随着pH值的增加，吸收峰红移；由图2b可以看出：吸收图谱中没有明显的衍射信号；由此可见，二维PS阵列/智能水凝胶复合材料由于衍射信号强度低，因此不能用普通的吸收光谱仪进行观测，而本发明实施例1中最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料能够用普通的吸收光谱仪进行观测。(3)将本发明实施例1制得的对pH值敏感的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料分别置于不同pH值的缓冲液中，浸泡12小时，再置于石英基质上，利用IdeaOpticsPG2000-Pro-EXSpectrometer和R1-A-UV支架进行衍射光谱的测量；同时，制备二维PS阵列/智能水凝胶复合材料，并分别置于不同pH值的缓冲液中，浸泡12小时，再置于石英基质上，利用IdeaOpticsPG2000-Pro-EXSpectrometer和R1-A-UV支架进行衍射光谱对比测量；从而得到如图3所示的不同pH值的衍射光谱示意图；其中，图3a为本发明实施例1中步骤f最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料经不同pH值的缓冲液浸泡后置于石英上进行衍射光谱测试获得的吸收图谱，图3a的横坐标为Wavelength(即波长)，单位为nm(即纳米)，图3a的纵坐标为Intensity(即强度)；图3b为二维PS阵列/智能水凝胶复合材料经不同pH值的缓冲液浸泡后置于石英上进行衍射光谱测试获得的吸收图谱，图3b的横坐标为Wavelength(即波长)，单位为nm(即纳米)，图3b的纵坐标为Intensity(即强度)。由图3a可以看出：衍射图谱中有明显的衍射峰，并且随着pH值的增加，衍射峰红移；由图3b可以看出：衍射图谱中衍射信号非常弱，不利于视觉探测。(4)分别对二维PS阵列/智能水凝胶复合材料与本发明实施例1中最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料进行衍射强度的测量，从而得到如图4所示的衍射强度对比图；其中，图4的横坐标为Wavelength(即波长)，单位为nm(即纳米)，纵坐标为Intensity(即强度)；曲线1为本发明实施例1中步骤f最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料置于石英上的衍射光谱；曲线2为二维PS阵列/智能水凝胶复合材料置于铝镜上的衍射光谱；曲线3为二维PS阵列/智能水凝胶复合材料置于石英上的衍射光谱。由图4可以看出：本发明实施例1中最终制得的二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料置于石英上的衍射峰强度约是二维PS阵列/智能水凝胶复合材料置于石英上的衍射峰强度的30倍；即使将二维PS阵列/智能水凝胶复合材料置于铝上来增强其衍射信号，其衍射信号强度也远低于二维PS-Au阵列/智能水凝胶复合材料置于石英上的衍射信号。综上可见，本发明实施例能够在不借助高反射镜的条件下获得强烈的衍射信号，并且具有敏感性、制备工序简单、成本低廉，适合实际工业应用。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。