基于智能手機客戶端應用的紫外線指數測量方法研究

孟慶華方良檳鄭少瑜韓 韜

（1上海交通大學化學化工學院 上海 200240)

(2上海交通大學電子信息與電氣工程學院 上海 200240）

基于智能手機客戶端應用的紫外線指數測量方法研究

孟慶華1*方良檳1鄭少瑜1韓 韜2*

（1上海交通大學化學化工學院 上海 200240)

(2上海交通大學電子信息與電氣工程學院 上海 200240）

為便捷實時測量紫外線指數（ultraviolet index，UVI），從響應速度、熱穩定性、耐疲勞性和成本這四個方面對常見的幾種光致變色化合物進行篩選評估，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，其變色信息被手機攝像頭拍攝后，像素信息被換算為灰度數據（Gy），其與紫外線指數呈有較好的線性關系，據此建立了一種基于智能手機客戶端應用的紫外線指數測量方法，方便普通消費者隨時測量所處環境的紫外線指數，并適時做好防護準備。

紫外線指數；光致變色；溶膠凝膠；智能手機

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部分：A紫外線波長位于320-400 nm之間，A紫外線對合成維生素D有促進作用，但過量的A紫外線照射會抑制免疫系統功能，易患紅斑病和白內障；B紫外線波長位于280～320 nm之間, B紫外線會使皮膚變紅，長期輻射可能導致皮膚癌及抑制免疫系統功能；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。當皮膚受到紫外線的照射時，人體表皮層中的黑色素細胞開始產生黑色素來吸收紫外線，以防止皮膚受到傷害，長時間的紫外線照射會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，紫外線還會促使各種合成材料的加速老化和化學分解；紫外線輻射也會對各種動、植物的生長、發育帶來嚴重危害。近年來，由于平流層臭氧遭到日趨嚴重的破壞，地面接受的紫外線輻射量增多，應該十分注意紫外線輻射對人體的危害。人們根據紫外線指數預報和有關的知識，就能夠主動地、積極地采取行動進行預防，采取對策。

紫外線指數（ultraviolet index，UVI），是指到達地面的太陽光線中的紫外線輻射對人體皮膚的可能損傷程度。世界氣象組織及世界衛生組織所建議的計算紫外線指數標準方法為度量直至400 nm不同波長的太陽紫外線強度，將不同波長的太陽紫外線強度乘以紅斑作用光譜曲線內對應的加權數值，以反映人類皮膚對紫外線的反應，將以上相乘的結果加起來，得出受紅斑光譜加權后的總紫外線強度，單位是毫瓦/平方米（mW/m2）。然后再將紅斑光譜加權后的總紫外線強度乘以0.04以得出紫外線指數[1]。紫外線指數用0～15的數字來表示。通常規定，夜間的紫外線指數為0，紫外線指數值越大，表示在愈短的時間里對皮膚的傷害愈強。紫外線指數為0、1、2時，表示太陽輻射中的紫外線量最小，對人體基本上沒有影響；紫外線指數為3或4時，表示太陽輻射中的紫外線量是比較低的，對人體的可能影響也是比較小的；紫外線指數為5和6時，表示紫外線的量為中等強度，對人體皮膚也有中等強度的傷害影響；紫外線指數為7、8、9時，表示有較強的紫外線照射強度，這時，對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措施；而當紫外線指數大于10時，表示紫外線照射量非常強，對人體有嚴重的影響，必須加強遮蔽，減少室外活動。

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

目前，有采用光化學變色來測量紫外線的方法，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，酸源就會使染料隱色體顯色而起到指示作用[5]，該方法實際測量的是紫外線輻射的輻射劑量，在測量強度時，必須固定輻射時間，然后將其與標準色塊相比，其數值方有可比性；該方法的一個缺點是反應不可逆，指示劑只可一次性使用，不能重復使用。

本文擬在課題組長期進行光致變色感光化學的研究基礎上[6-10], 采用光致變色原理，將光致變色染料通過雜化涂層負載于日常用品上（包括卡片、手機外殼、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，通過智能手機攝像頭獲取變色顏色信息，通過客戶端軟件轉換為紫外線的輻射信息。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

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

2.2 染料摻雜溶膠和紫外線檢測卡制備

在50 mL反應瓶中加入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行30 min的振蕩處理，以分散溶膠顆粒形成的不穩定的物理團聚，經孔徑為0.22 μm的微孔濾膜過濾，在超凈室內采用浸鍍法在濾紙表面制備薄膜，80℃真空干燥1小時得變色膜，染料在膜中的濃度為0.1％。將其裁剪組裝為合適形狀，得紫外線檢測卡。

2.3 紫外線測量

紫外線測量借助于某品牌智能手機攝像頭，拍攝高度為垂直于卡片上方50 cm，關閃光燈，自動白平衡模式，圖像分辨率1280*720 px，圖片保存格式為JPG后，在基于手機安卓系統上開發的程序中，提取圖像中響應像素點的RGB值，然后將其按公式（1）換算為灰度數據（Gy）。

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

測量同時，以光電測量儀器標準方法同步測量其紫外線指數[1]。

3.結果與討論

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生化學反應，由A構型得到另一個不同顏色的構型產物B，而在暗處或熱的作用下，又能恢復到原來的構型。A一般在近紫外光譜區（360～400 nm）有吸收，而在可見光譜區（400～750 nm）沒有吸收，則稱之為隱色體；而B在可見光譜區有明顯吸收，則稱之為顯色體。目前文獻經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、芳香稠環化合物等類型。出于篩選適用于指示紫外線強度的目的，我們從響應速度、熱穩定性、耐疲勞性和成本這四個方面對常見的幾種光致變色化合物進行篩選評估，對比情況列于表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構特征是吡喃環通過螺碳原子與芳環連接，在紫外光激發下，分子中螺C—O鍵發生異裂，引起分子結構和電子分布發生重排，將螺C原子連接的兩個環系由交叉變為共平面，形成一個更大的 共軛體系；在可見光或熱的作用下，螺C—O鍵重新生成，發生關環反應返回到螺吡喃結構，形成一個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)結構較為簡單，沒有容易引起降解副反應的取代基（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，具有薄膜微結構可控，其孔徑和表面形貌可以通過仔細控制反應條件來獲得，這對客體分子的擴散、運輸和識別是非常重要的[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構有較大的扭轉，我們在雜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在柔性環境中的可逆光致變色機理Fig.1 The reversible photochromism of NP1 compound in a flexible environment

3.3 灰度與UVI的線性關系

紫外線指示卡上的變色膜遇紫外線輻射后，其變色信息被手機攝像頭拍攝后，像素信息被轉換成換算為灰度數據（Gy），對比同時以標準方法測量的紫外線指數，發現二者之間具有較好的線性關系（圖2），其線性方程為公式（2）：

由此，我們依據此線性關系可建立了一種基于智能手機客戶端應用的紫外線指數測量方法，非常方便于普通消費者隨時隨地測量所處環境的紫外線指數，并適時做好防護準備。

圖2 變色膜灰度與紫外線指數的線性關系Fig.2 The relationship between the grayscale and the UVI value

4.結論

本文從響應速度、熱穩定性、耐疲勞性和成本這四個方面對常見的幾種光致變色化合物進行篩選評估，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,并組裝紫外線檢測卡。紫外線指示卡上的變色信息被手機攝像頭拍攝后，像素信息被轉換成換算為灰度數據（Gy），與紫外線指數呈有較好的線性關系，建立了一種基于智能手機客戶端應用的紫外線指數測量方法。

[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.

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[5] 錢水娟，洪桂生.“星光”紫外線強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, 2009.

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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

自然科學基金( No.11174205)