紫外线在工业生产、医疗、环境、电子通讯等领域发挥着非常重要的作用。比如，在工业生产中，紫外线被广泛用于高分子树脂产品固化和CPU芯片制造；在医疗领域，紫外线被用于皮肤病（如银屑病、白癜风和玫瑰糠疹）等疾病的治疗。然而，过量的紫外线辐照剂量往往会影响产品质量或危害人体健康，因而需要对紫外线辐照剂量进行准确控制。因此，紫外线辐照剂量的实时定量化检测对于紫外线辐照在工业生产和医疗等领域的高效应用具有重要意义。
近期，四川大学化学工程学院褚良银教授研究团队报道了一种基于光致变色水凝胶和光敏电阻的新型检测系统，实现了对紫外线辐照剂量的实时定量化检测。如图1所示，该系统中的光致变色水凝胶主要以聚（N,N-二甲基丙烯酰胺）（PDMAA）作为高分子骨架，以四水合钼酸铵（Mo(VI)）作为紫外光辐照感应受体。在紫外光辐照下，凝胶网络中四水合钼酸铵晶体内的MoO6正八面体将发生O → Mo的电子从配体向金属（LMCT）跃迁，使Mo(VI)被还原为Mo(V)，从而导致凝胶从无色透明转变为蓝绿色，实现从紫外光辐照剂量到颜色变化的信号转化。进一步地，利用光敏电阻的光电效应，将凝胶的颜色变化转化为易于定量读取的电阻变化信号，从而实现对紫外光辐照剂量的实时定量化检测。基于上述原理，构建了基于该光致变色水凝胶和光敏电阻的定量化检测系统如图2所示。该系统从上至下排列的光致变色水凝胶、红色滤光片和光敏电阻组成了响应紫外光辐照剂量的检测探头。由于凝胶响应紫外线辐照后最大吸收峰λ=740 nm处于红光范围，因此红色滤光片用于增强其在红光范围内的透过率变化，以放大紫外光辐照引起的颜色变化信号。通过测定光敏电阻阻值与紫外辐照剂量之间的定量关系并拟合方程，则可便捷地通过检测光敏电阻的阻值变化来实现对紫外光辐照剂量的定量检测。
图1 基于光致变色水凝胶和光敏电阻的紫外线辐照剂量实时定量化检测系统的工作原理
图2 基于光致变色水凝胶和光敏电阻的紫外线辐照剂量实时定量化检测系统及其检测性能
通过将上述光敏电阻与自制印刷电路板（PCB）相连接组成了自动化报警系统（图3），实现了对紫外辐照剂量的实时监测、超剂量及时报警及终止。通过改变PCB电路板上滑动变阻器的数值，该自动化报警系统可灵活实现对1.5 ~ 50 J·cm-2紫外线辐照剂量的监测、报警和防过量辐照。当紫外线辐照剂量到达设定的报警阈值时，红色LED灯自动点亮并启动蜂鸣报警器，同时紫外灯电源由“ON”状态切换至“OFF”状态，自动切断紫外线辐照。这种紫外光辐照剂量检测系统在工业生产和医疗等领域的紫外光辐照剂量实时定量化监测和控制方面具有广阔的应用前景。
图3 紫外线辐照剂量实时定量化检测系统用于紫外线辐照剂量实时监测、以及过量紫外辐照及时报警及终止
相关研究成果以“Real-Time Quantitative Detection of Ultraviolet Radiation Dose Based on Photochromic Hydrogel and Photo-Resistance”为题发表于Chemistry of Materials（DOI：10.1021/acs.chemmater.2c01761）。论文第一作者为四川大学化工学院博士研究生文国宇，通讯作者为四川大学褚良银教授和汪伟教授。本研究得到了国家自然科学基金重大项目课题（21991101）和四川大学工科特色团队资助项目（2020SCUG112）的资助。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.2c01761
下载：Real-Time Quantitative Detection of Ultraviolet Radiation Dose Based on Photochromic Hydrogel and Photo-Resistance