地物光谱仪在热致变色材料表征中的应用

光谱和图像是人们认识、识别地物的两种重要依据。遥感技术通过遥感影像可以解决图谱合一的问题，即将物质成分决定的地物光谱与反映地物存在格局的空间影像完整地结合了起来，对每一个空间影像的像素赋予它本身具有的特征光谱信息，但遥感影像与地物之间的联系，需要通过地物光谱来识别。地物光谱仪是通过测量地物光谱，来实现这种联系的常用仪器之一，广泛用于遥感测量、农作物监测、森林和海洋学研究、矿物勘探等各领域。地物光谱仪测量原理是利用不同地物对太阳光的反射不同，反射率与入射波长之间的变化规律，将反射率与波长之间关系绘成地物反射光谱曲线。不同地物由于物质组成和结构不同具有不同的反射光谱特性。因而可以根据地物光谱仪所测不同地物光谱，结合遥感传感器所接收到的电磁波光谱特征的差异，达到识别不同地物的目的。因此，地物光谱仪可以快速便捷的实现对目标物体的反射光谱表征。

可逆热致变色材料是一类当温度达到某一特定的范围时，材料的颜色会发生改变，而当温度恢复到初温后，颜色也会随之复原的智能型材料。经过几十年的研究与发展，人们已开发出了无机、有机、液晶、聚合物以及生物大分子等各类具有这种特性的材料。其应用范围也从最初的示温材料拓展到现在日常生活的各个领域，并随着新型材料的开发逐步发展到了分析、传感等高新科技领域。热致变色材料可以用来制造温度敏感的智能玻璃窗，此智能玻璃窗可以使建筑物实现对太阳光的有效调制，充分利用太阳能产生的热量。最近，浙江大学能源材料研究室的科研人员开发出一种基于离子液体的环保型热致变色材料体系。他们利用无蒸汽压、热稳定高的室温离子液体作为新型热致变色体系的溶剂，可以制备出多种颜色改变的热致变色体系。紫外 - 可见光分光光度计通常被用来对表征材料的光学特征。对于热致变色材料的表征，紫外 - 可见光分光光度计必须添置升温和保温附件，来实现不同温度下材料光谱信息的采集，在一定程度上使材料的光谱表征带来一定困难。同时，分光光度计具有一定的量程控制，一般要求所测物质的吸光度值小于 1。对于较大吸光度的溶液需要进行必要的稀释后才可以进行分光光度计表征。但热致变色溶液的变色特征往往与溶液的浓度有密切的关系，因此，寻求一种快速便捷的热致变色材料表征技术是急需解决的课题。本研究结合地物光谱仪的操作特点，对新型热致变色材料进行热致变色光谱分析，在热致变色材料表征技术方面开拓地物光谱仪的新应用。

1实验方法

本研究所采用的热致变色材料由浙江大学提供，此类热致变色材料根据所溶解的金属离子不同，在室温下表现出不同的颜色。目前报道的主要体系为在室温下表现为蓝色的钴系，黄色的铁系，绿色的镍系，红色的铬系以及浅黄色的镍铁混合系材料。在本研究中，将镍系热致变色体系作为代表性材料，通过地物光谱仪对其进行热致变色光谱分析。为了研究不同离子浓度对热致变色效果的影响，将分别采用两种浓度的镍系溶液（分别称为高浓度与低浓度镍系溶液）进行地物光谱仪检测，并与传统的分光光度计（Varian Cary 5000，USA）结果进行对比分析，评价地物光谱仪的新应用。在实验过程中，将热致变色材料置于带加热功能的磁力搅拌器上进行加热，搅拌器自带的温度传感器可以对加热体系的温度进行监测。当热致变色材料加热到某一温度时，将地物光谱仪的光纤探头置于热致变色溶液液面以上约 5 厘米处，进行数据采集。地物光谱仪在每一次采集数据前，均由标准白板进行校准。将同一温度下所采集的数据进行取平均值处理，然后绘制材料反射率与光谱波长的关系图，观察不同温度下，材料的反射光谱变化。同时，材料在不同温度下的颜色变化也通过数码相机进行记录采集。

2实验结果与讨论

图 1 为分光光度计对低浓度镍系溶液的热致变色表征结果，由图可以看出，此溶液的吸收光谱具有两个明显的吸收波段，分别在波长 422nm 和600 ～ 800nm 之间。随着温度的升高，600 ～ 800 nm 波段的吸收峰表现出强烈的温度依赖性，并且吸收峰有蓝移趋势。另外一个特征是处于 422  nm 的吸收峰随着温度的变化基本上不发生明显的改变。此结果与文献的结果一致。由于图 1 给出的是光的吸收特征，因此，从图上无法直观的读出此材料的颜色与温度的关系。同时，由于设备限制，分光光度计也只可以检测到 70℃以下材料的光谱变化。

图 1　分光光度计对低浓度镍系溶液的热致变色表征结果

图 2 可以看出不同热致变色溶液在不同温度下的颜色改变，其中的 C 溶液即为分光光度计表征的低浓度镍系热致变色体系。由图可以看出，低浓度的镍系溶液室温下呈现出浅黄绿色，但当温度升到～ 70℃以上时，颜色变为深绿色。温度继续升高到～ 100℃以上时，颜色变为了蓝色（图 2d）。而这种有绿色到蓝色的颜色转变是通过分光光度计无法检测到的（如图 1）。因此，我们尝试了采用地物光谱仪记录不同温度下，低浓度镍系溶液的颜色变化，结果如图 3 所示。

图 2　不同热致变色溶液的不同温度下的颜色变化

a）～ 30 ℃，       （b）～ 56 ℃，         （c）～ 76 ℃，           （d）～ 100 ℃C

溶液为低浓度镍系热致变色体系，A 为铬系，B 为钴系，D 为铁系，E 为镍铁混合系

图 3　不同温度下低浓度镍系溶液的地物光谱仪检测结果

图 3 中的目标物的反射率是地物光谱仪直接测量数据。如图 3 所示，在室温下，低浓度镍系溶液反射峰位于 500 ～ 600nm 之间，即对应于黄绿色，与图 2a 中的颜色对应。随着温度的升高，发现此溶液的反射率降低，说明此材料吸收较多的光，颜色表现出变深的趋势。另外，发现目标物的反射峰向蓝紫色方向偏移，即颜色向蓝紫色进行过渡。当温度达到～ 100℃左右时，材料的反射光已经比较弱，而且此时反射峰位于波长 520nm 处，即绿色与蓝色交叉波段。图 3 的结果与图 2 的结果相对应，由此可见，地物光谱仪可以有效地反映材料的热致变色效应。我们还研究了高浓度的镍系溶液的热致变色效应。如图 4 所示，高浓度的镍系溶液在室温下呈现出绿色，但当温度升到 50℃左右时，颜色变得较深，几乎观察不到光的反射。尤其是到了 75℃左右，颜色变成黑色，即无光反射。由于此溶液的浓度较高，所以吸光度超出了分光光度计的量程，所以无法采用分光光度计进行表征检测。我们通过地物光谱仪进行了此溶液的热致变色效应（结果如图 5 所示），室温下，材料的最主要的反射光波长处于～ 550nm，与低浓度的镍系溶液相比，发生了较明显的红移，即溶液的颜色变深，呈现出绿色。随着温度的升高，目标物的反射率不断降低，反射峰所在位置发生红移。尤其到了 80℃左右时，目标物的反射率基本为 0，说明此时溶液变成黑色，完全不透明状态，如图 4 所示。由此可见，地物光谱仪可以对热致变色溶液的热致变色特性进行较准确的定性和定量表征。本研究也表明了地物光谱仪的应用可以拓展到材料研究中。

图 4　不同温度下高浓度镍系溶液的颜色变化

图 5　不同温度下高浓度镍系溶液的地物光谱仪检测结果

3结   论

本文主要展开了将地物光谱仪用于热致变色材料的热致变色特性研究。地物光谱仪可以准确快速的记录热致变色材料的温度依赖的颜色改变过程，可以作为紫外 - 可见光分光光度计表征的有效补充，是热致变色材料的有效表征技术手段。

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审核编辑 黄昊宇