孟慶華方良檳鄭少瑜韓 韜

（1上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 上海 200240)

(2上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200240）

基于智能手機(jī)客戶端應(yīng)用的紫外線指數(shù)測(cè)量方法研究

孟慶華1*方良檳1鄭少瑜1韓 韜2*

（1上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 上海 200240)

(2上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200240）

為便捷實(shí)時(shí)測(cè)量紫外線指數(shù)（ultraviolet index，UVI），從響應(yīng)速度、熱穩(wěn)定性、耐疲勞性和成本這四個(gè)方面對(duì)常見的幾種光致變色化合物進(jìn)行篩選評(píng)估，采用萘并吡喃型光致變色化合物(NP1)，制備染料摻雜溶膠，浸鍍法制備變色薄膜,并組裝紫外線檢測(cè)卡。紫外線指示卡上的變色膜遇紫外線輻射后，其變色信息被手機(jī)攝像頭拍攝后，像素信息被換算為灰度數(shù)據(jù)（Gy），其與紫外線指數(shù)呈有較好的線性關(guān)系，據(jù)此建立了一種基于智能手機(jī)客戶端應(yīng)用的紫外線指數(shù)測(cè)量方法，方便普通消費(fèi)者隨時(shí)測(cè)量所處環(huán)境的紫外線指數(shù)，并適時(shí)做好防護(hù)準(zhǔn)備。

紫外線指數(shù)；光致變色；溶膠凝膠；智能手機(jī)

1.引言

紫外線是太陽電磁輻射中的一類，是自然界中可供人們利用的一種巨大能源之一。紫外線按其波長可分為三個(gè)部分：A紫外線波長位于320-400 nm之間，A紫外線對(duì)合成維生素D有促進(jìn)作用，但過量的A紫外線照射會(huì)抑制免疫系統(tǒng)功能，易患紅斑病和白內(nèi)障；B紫外線波長位于280～320 nm之間, B紫外線會(huì)使皮膚變紅，長期輻射可能導(dǎo)致皮膚癌及抑制免疫系統(tǒng)功能；C紫外線波長位于100～280 nm之間, C紫外線幾乎都被臭氧層所吸收。當(dāng)皮膚受到紫外線的照射時(shí)，人體表皮層中的黑色素細(xì)胞開始產(chǎn)生黑色素來吸收紫外線，以防止皮膚受到傷害，長時(shí)間的紫外線照射會(huì)引起大量黑色素沉積在表皮層中，成為永久性的“曬黑”痕跡。此外，紫外線還會(huì)促使各種合成材料的加速老化和化學(xué)分解；紫外線輻射也會(huì)對(duì)各種動(dòng)、植物的生長、發(fā)育帶來嚴(yán)重危害。近年來，由于平流層臭氧遭到日趨嚴(yán)重的破壞，地面接受的紫外線輻射量增多，應(yīng)該十分注意紫外線輻射對(duì)人體的危害。人們根據(jù)紫外線指數(shù)預(yù)報(bào)和有關(guān)的知識(shí)，就能夠主動(dòng)地、積極地采取行動(dòng)進(jìn)行預(yù)防，采取對(duì)策。

紫外線指數(shù)（ultraviolet index，UVI），是指到達(dá)地面的太陽光線中的紫外線輻射對(duì)人體皮膚的可能損傷程度。世界氣象組織及世界衛(wèi)生組織所建議的計(jì)算紫外線指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)方法為度量直至400 nm不同波長的太陽紫外線強(qiáng)度，將不同波長的太陽紫外線強(qiáng)度乘以紅斑作用光譜曲線內(nèi)對(duì)應(yīng)的加權(quán)數(shù)值，以反映人類皮膚對(duì)紫外線的反應(yīng)，將以上相乘的結(jié)果加起來，得出受紅斑光譜加權(quán)后的總紫外線強(qiáng)度，單位是毫瓦/平方米（mW/m2）。然后再將紅斑光譜加權(quán)后的總紫外線強(qiáng)度乘以0.04以得出紫外線指數(shù)[1]。紫外線指數(shù)用0～15的數(shù)字來表示。通常規(guī)定，夜間的紫外線指數(shù)為0，紫外線指數(shù)值越大，表示在愈短的時(shí)間里對(duì)皮膚的傷害愈強(qiáng)。紫外線指數(shù)為0、1、2時(shí)，表示太陽輻射中的紫外線量最小，對(duì)人體基本上沒有影響；紫外線指數(shù)為3或4時(shí)，表示太陽輻射中的紫外線量是比較低的，對(duì)人體的可能影響也是比較小的；紫外線指數(shù)為5和6時(shí)，表示紫外線的量為中等強(qiáng)度，對(duì)人體皮膚也有中等強(qiáng)度的傷害影響；紫外線指數(shù)為7、8、9時(shí)，表示有較強(qiáng)的紫外線照射強(qiáng)度，這時(shí)，對(duì)人體的可能影響就比較大，需要采取涂抹防曬霜之類的防護(hù)措施；而當(dāng)紫外線指數(shù)大于10時(shí)，表示紫外線照射量非常強(qiáng)，對(duì)人體有嚴(yán)重的影響，必須加強(qiáng)遮蔽，減少室外活動(dòng)。

一些以物理學(xué)為原理的儀器被開發(fā)出來用于測(cè)量紫外線強(qiáng)度或紫外線指數(shù),如溫差電堆輻射計(jì)[2]、壓電式輻射計(jì)[3]和光電二極管[4]，由此也誕生了一批世界知名的專業(yè)光電儀器公司，如：Matcor Inc., Optix Tech Inc., Solartech Inc., Optronics, Photometrics Ltd. 和 Sunsor Inc.等。對(duì)于科研機(jī)構(gòu)，可通過專業(yè)的光電儀器來測(cè)量紫外線指數(shù)，而對(duì)于普通消費(fèi)者來說，目前可獲得紫外線指數(shù)的途徑很少。

目前，有采用光化學(xué)變色來測(cè)量紫外線的方法，比如用含氯高聚物（如PVC）和染料隱色體組成，含氯高聚物受紫外線輻射釋放出HCl酸源，酸源就會(huì)使染料隱色體顯色而起到指示作用[5]，該方法實(shí)際測(cè)量的是紫外線輻射的輻射劑量，在測(cè)量強(qiáng)度時(shí)，必須固定輻射時(shí)間，然后將其與標(biāo)準(zhǔn)色塊相比，其數(shù)值方有可比性；該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是反應(yīng)不可逆，指示劑只可一次性使用，不能重復(fù)使用。

本文擬在課題組長期進(jìn)行光致變色感光化學(xué)的研究基礎(chǔ)上[6-10], 采用光致變色原理，將光致變色染料通過雜化涂層負(fù)載于日常用品上（包括卡片、手機(jī)外殼、腕帶、眼鏡、書本、首飾和服裝等），使其成為具有可逆紫外線變色能力的變色體，通過智能手機(jī)攝像頭獲取變色顏色信息，通過客戶端軟件轉(zhuǎn)換為紫外線的輻射信息。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

所用試劑均為分析純或化學(xué)純。光致變色染料2,2-二苯基l-2H-苯并[h]色烯（NP1）為本實(shí)驗(yàn)室自行合成[6]，雜化溶膠(PMS-PDMS)按文獻(xiàn)方法制備[7]，固含量為15％。

2.2 染料摻雜溶膠和紫外線檢測(cè)卡制備

在50 mL反應(yīng)瓶中加入0.02 g染料(NP1)，133.3 g雜化溶膠(PMS-PDMS)，磁力攪拌1小時(shí)后，將混合液密封。在室溫下靜置陳化1天，得染料摻雜硅溶膠材料。將溶膠放置在超聲波中進(jìn)行30 min的振蕩處理，以分散溶膠顆粒形成的不穩(wěn)定的物理團(tuán)聚，經(jīng)孔徑為0.22 μm的微孔濾膜過濾，在超凈室內(nèi)采用浸鍍法在濾紙表面制備薄膜，80℃真空干燥1小時(shí)得變色膜，染料在膜中的濃度為0.1％。將其裁剪組裝為合適形狀，得紫外線檢測(cè)卡。

2.3 紫外線測(cè)量

紫外線測(cè)量借助于某品牌智能手機(jī)攝像頭，拍攝高度為垂直于卡片上方50 cm，關(guān)閃光燈，自動(dòng)白平衡模式，圖像分辨率1280*720 px，圖片保存格式為JPG后，在基于手機(jī)安卓系統(tǒng)上開發(fā)的程序中，提取圖像中響應(yīng)像素點(diǎn)的RGB值，然后將其按公式（1）換算為灰度數(shù)據(jù)（Gy）。

Gy = 0.2989*R + 0.5866*G + 0.1145*B (1)

測(cè)量同時(shí)，以光電測(cè)量儀器標(biāo)準(zhǔn)方法同步測(cè)量其紫外線指數(shù)[1]。

3.結(jié)果與討論

3.1 光致變色染料的類型與篩選

光致變色（photochromism）是指一些化合物在受到一定波長的光照射下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，由A構(gòu)型得到另一個(gè)不同顏色的構(gòu)型產(chǎn)物B，而在暗處或熱的作用下，又能恢復(fù)到原來的構(gòu)型。A一般在近紫外光譜區(qū)（360～400 nm）有吸收，而在可見光譜區(qū)（400～750 nm）沒有吸收，則稱之為隱色體；而B在可見光譜區(qū)有明顯吸收，則稱之為顯色體。目前文獻(xiàn)經(jīng)常涉及的光致變色化合物主要包括螺吡喃、螺噁嗪、俘精酸酐、萘并吡喃、二芳基乙烯、偶氮化合物、芳香稠環(huán)化合物等類型。出于篩選適用于指示紫外線強(qiáng)度的目的，我們從響應(yīng)速度、熱穩(wěn)定性、耐疲勞性和成本這四個(gè)方面對(duì)常見的幾種光致變色化合物進(jìn)行篩選評(píng)估，對(duì)比情況列于表1。由表1可見，萘并吡喃型光致變色化合物在這四個(gè)方面均能基本滿足本課題需要。

表1 光致變色染料的類型與性能篩選Fig.1 Different types of photochrmic dyes and the assessments

3.2 染料摻雜薄膜的制備及其光致變色

萘并吡喃型光致變色染料的結(jié)構(gòu)特征是吡喃環(huán)通過螺碳原子與芳環(huán)連接，在紫外光激發(fā)下，分子中螺C—O鍵發(fā)生異裂，引起分子結(jié)構(gòu)和電子分布發(fā)生重排，將螺C原子連接的兩個(gè)環(huán)系由交叉變?yōu)楣财矫妫纬梢粋€(gè)更大的 共軛體系；在可見光或熱的作用下，螺C—O鍵重新生成，發(fā)生關(guān)環(huán)反應(yīng)返回到螺吡喃結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)典型的可逆光致變色過程。本文研究的本文所用萘并吡喃型光致變色染料(NP1)結(jié)構(gòu)較為簡單，沒有容易引起降解副反應(yīng)的取代基（如氨基、羧基），褪色速度快，光敏性好，顏色深度（灰度）隨紫外線強(qiáng)度升高而增加（圖1）。

溶膠-凝膠法（Sol-Gel）常用于制備低成本硅膠傳感涂層，可以用于承載上述光敏探針分子，具有薄膜微結(jié)構(gòu)可控，其孔徑和表面形貌可以通過仔細(xì)控制反應(yīng)條件來獲得，這對(duì)客體分子的擴(kuò)散、運(yùn)輸和識(shí)別是非常重要的[11]。形成的溶膠可以在各種基底上成膜，制成各種功能制品。由于萘并吡喃型光致變色染料變色中分子結(jié)構(gòu)有較大的扭轉(zhuǎn)，我們?cè)陔s化體系中引入較為柔性的PDMS單元，提高其變色靈敏性（圖1）。

圖1 NP1在柔性環(huán)境中的可逆光致變色機(jī)理Fig.1 The reversible photochromism of NP1 compound in a flexible environment

3.3 灰度與UVI的線性關(guān)系

紫外線指示卡上的變色膜遇紫外線輻射后，其變色信息被手機(jī)攝像頭拍攝后，像素信息被轉(zhuǎn)換成換算為灰度數(shù)據(jù)（Gy），對(duì)比同時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量的紫外線指數(shù)，發(fā)現(xiàn)二者之間具有較好的線性關(guān)系（圖2），其線性方程為公式（2）：

由此，我們依據(jù)此線性關(guān)系可建立了一種基于智能手機(jī)客戶端應(yīng)用的紫外線指數(shù)測(cè)量方法，非常方便于普通消費(fèi)者隨時(shí)隨地測(cè)量所處環(huán)境的紫外線指數(shù)，并適時(shí)做好防護(hù)準(zhǔn)備。

圖2 變色膜灰度與紫外線指數(shù)的線性關(guān)系Fig.2 The relationship between the grayscale and the UVI value

4.結(jié)論

本文從響應(yīng)速度、熱穩(wěn)定性、耐疲勞性和成本這四個(gè)方面對(duì)常見的幾種光致變色化合物進(jìn)行篩選評(píng)估，采用萘并吡喃型光致變色化合物(NP1)，制備染料摻雜溶膠，浸鍍法制備變色薄膜,并組裝紫外線檢測(cè)卡。紫外線指示卡上的變色信息被手機(jī)攝像頭拍攝后，像素信息被轉(zhuǎn)換成換算為灰度數(shù)據(jù)（Gy），與紫外線指數(shù)呈有較好的線性關(guān)系，建立了一種基于智能手機(jī)客戶端應(yīng)用的紫外線指數(shù)測(cè)量方法。

[1] WHO (World Health Organization), Global solar UV index: A practical Guide, ISBN 9241590076, 2002.

[2] Jones S, Salisbury K. Correction factors in calculating absorbed light intensities[J]. Photochem. Photobiol., 1972, 16: 435-445.

[3] Reddy J, Kashyap S, et al. Optical and I-V studies on Au-ZnO-ITO based UV-sensing devices [C]. Proceedings of SPIE, 2012, 8549: 85491E/1-85491E/6.

[4] Chang P, Yu C, Chang S, Lin Y, Low-noise and highdetectivity GaN UV photodiodes with a low-temperature AlN cap layer [J]. Sensors J. IEEE, 2007, 7: 1289-1292.

[5] 錢水娟，洪桂生.“星光”紫外線強(qiáng)度與消毒效果指示卡[J].影像材料，1986, 5：55-56.

[6] 符定良，光致變色化合物的合成與性能研究[D]. 上海交通大學(xué), 2009.

[7] Fang Y, Meng Q, Wang Z, Wang G, Jiang H, Zhao H, Wang Y. A photochromic naphthopyran dye activated by the intramolecular hydrogen bond and its photodynamics in the ormosil matrix coating [J]. J. Sol-Gel Sci. Technol., 2015, 73: 293-298.

[8] 王珍，符定良，孟慶華，黃德音, 嗎啉取代萘并吡喃化合物的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系研究[J]. 信息記錄材料，2010, 11(2): 8-11.

[9] Wang Z, Meng Q, Synthesis and photochromic properties of substituted naphthopyran compounds [J]. Tetrahedron, 2011, 67: 2246-2250.

[10] Meng Q, Wang G, Jiang H, Wang Y, Xie S. Preparation of a fast photochromic ormosil matrix coating for smart windows[J]. J. Mater. Sci., 2013, 48(17): 5862-5870.

[11] 孫志成, 孟慶華. 溶膠-凝膠法制備含偶氮生色團(tuán)的三階非線性材料[J]. 合成化學(xué), 2008, 16(4): 406-409.

The study of a convenient method for measurement of UVI value based on the smartphone

MENG Qing-hua*, FANG Liang-bin, ZHENG Shao-yu, HAN Tao*(1 School of Electric Information & Electrical Engineering, Shanghai Jiao tong University, Shanghai 200240, China; 2 School of Chemistry & Chemical Engineering, Shanghai Jiao tong University, Shanghai 200240, China)

To determine the ultraviolet index(UVI), a number of photochromic compounds were evaluated via the aspects as responsive speed, thermal stability, fatigue durability and cost. The naphthopyran compound (NP1) was selected and the photochromic film were prepared by sol-gel method. A UVI indication card was fabricated as well. The grayscale of the photochromic film could be measured by the camera in the smartphone and was observed to have a good linear relationship to the UVI, thus a convenient method for measurement of UVI value based on the smartphone was proposed.

UVI; Photochromism; Sol-gel; Smartphone

O434.2

A

1009-5624-（2016）02-0082-04

自然科學(xué)基金( No.11174205)