[发明专利]基于纳米线定向排列的方向型应变发光传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于纳米线定向排列的方向型应变发光传感器及其制备方法。该方法首次利用上转换纳米线K₂YF₅:18％Yb/2％Er、银纳米线及Ecoflex聚酯前驱体定向混合后制成可视化的方向型应变发光传感器，沿着两个垂直方向拉伸出现不同的光学变化。混合一定比例的银纳米线可通过等离激元共振效应有效增强K₂YF₅:18％Yb/2％Er的上转换发光效率，对绿光和红光的增强倍数最高可达780和100。该种技术制备的光学膜可作为光学应变传感器，用于部分关节肌腱损伤患者修复手术后的康复监测，为患者康复过程中肌腱功能恢复程度和康复标准化提供有效的监测数据和评价依据，并制定未来的康复训练计划。

技术领域

本发明涉及光学传感领域，具体涉及一种基于纳米线定向排列的方向型应变发光传感器及其制备方法。

背景技术

可穿戴式应变传感器因其易于与人体交互，在个性化健康监测、人体运动检测和人机界面等方面具有巨大的应用潜力。电阻式和电容式应变传感器是应用最广泛的两种应变传感器，它们通常基于变形引起的电阻或电容变化来进行传感。尽管这类电学应变传感器具有高性能和多传感功能，但它们制造工艺复杂、制作成本高、局部形状构造受限、金属元件的生物相容性差以及对电磁干扰的高灵敏度导致应用于人体时会对人体造成损伤。

相较于电学应变传感器，光学传感器具有其独特的优点，包括重量轻，体积小，较高的电气安全性、免受电磁干扰，且光学信号不直接接触于人体皮肤。由纳米颗粒组成的光纤是目前研究最多的光学传感器，已应用于结构健康监测、医疗保健和人体活动监测等领域。然而，基于一维纳米结构的光学应变传感器尚未实现。事实上，一维纳米结构(如纳米线，纳米棒和纳米管)因其形状特异性和量子约束效应表现出独特的性质，例如高发光效率、优异的机械韧性、较大的比表面积等，在纳米光电器件、磁性器件的制造中有良好的应用潜能。同时，纳米颗粒的各向同性导致它无法形成方向性排列，而纳米线可以在一定条件下形成定向排列。基于定向排列纳米线的传感器将具有方向性，会在不同方向上表现出不同性质。然而目前还未有此类具有方向性的应变发光传感器，因此设计具有定向排列、可从不同角度拉伸提高灵敏的传感器十分必要。此外，薄膜类的传感器，除了与皮肤更大的接触面积外，膜上每个点的发光都可在应变下响应并被检测，增加传感器分辨率，提高其在监测人体受损关节或肌腱康复中的应用。因此，需要开发基于一维纳米结构制成的柔性光学薄膜作为应变发光传感器。

发明内容

本发明提供了一种基于纳米线定向排列的方向型应变发光传感器及其制备方法。利用银纳米线增强K₂YF₅:18％Yb/2％Er的上转换发光效率，与Ecoflex聚酯前驱体定向混合后制备的柔性光学膜具有良好的变形和拉伸性能，且内部纳米线成定向排列。在近红外光激发下，以两个垂直方向拉伸该膜，膜的上转换发光效率及红绿光比值随拉伸强度增加的变化不同。该种技术制备的光学膜可作为光学应变传感器，用于部分关节肌腱损伤患者修复手术后的康复监测，为患者康复过程中肌腱功能恢复程度和康复标准化提供有效的监测数据和评价依据，并制定未来的康复训练计划。

一种基于纳米线定向排列的方向型应变发光传感器的制备方法，银纳米线对上转换的发光增强及纳米线定向排列，包括以下步骤：

1)制备银纳米线：以聚乙烯吡咯烷酮为封盖剂，乙二醇为还原剂，通过改性多元醇法还原硝酸银制备得到银纳米线；

2)以不同比例混合银纳米线和上转换纳米线，根据上转换发光增强效果选择最佳比例；