本發(fā)明屬于溶液濃度測量領域，具體涉及二硫化鉬等二維材料懸浮液中二維材料濃度的測量方法。尤其涉及一種可以精確且高效地測量混合溶液中二維材料懸浮溶液濃度的方法，以實現(xiàn)懸浮溶液離心過程中的微區(qū)濃度監(jiān)控。

背景技術：

近年來，利用離散法制備二維材料的研究已經(jīng)相當深入，2013年，O’Neill 等人利用離散法制備得到了高濃度、大尺寸的二硫化鉬溶液。但對于用這種方法制備的納米材料懸浮溶液的濃度的測量，其實現(xiàn)手段卻非常局限。想要直接且精確的測量微區(qū)懸浮溶液的濃度，困難很大。測量材料溶液濃度的方法有很多種，包括線性吸收法、旋光法等。而對于納米材料的濃度測量，一般采用測量材料線性透過率的方法來間接測量溶液的濃度，但是隨溶液濃度增大，線性透過率會逐漸趨于0，測量則會產(chǎn)生無法忽視的誤差，想要精準地測量溶液濃度就會十分困難。O’Neill 等人利用吸收譜中的共振吸收的強度來判斷利用離散法制備二硫化鉬溶液時，在起始濃度、震蕩時間、離心速度等因素改變的情況下，制備得到的二硫化鉬溶液的濃度大小。也有研究者通過直接把一定體積的溶液蒸干后測量溶質質量的方法來測量材料的濃度，但是這種方法操作相對繁瑣，對于一些制備成本很高的材料則會造成不必要的浪費。所以，能找到一種可以精確且高效地測量納米材料懸浮溶液濃度的手段，對實現(xiàn)懸浮溶液離心過程中的濃度監(jiān)控，以及研究溶液的流體性質具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種精確且高效地測量二維材料懸浮溶液中二維納米材料濃度的方法，實現(xiàn)懸浮溶液離心過程中的濃度監(jiān)控。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是，一種測量二維材料懸浮溶液中二維納米材料濃度的方法，包括以下步驟：

（1）采用離散法制得濃度為1～1.5 mg/ml的二維納米材料溶液；

所述二維納米材料可以是二硫化鉬；

所述二維納米材料也可以是石墨烯，或者類石墨烯的層狀材料如：二硫化鎢、黑磷等。選擇不同的二維納米材料，空間自相位調制實驗中選擇不同的波長。

所述離散法是目前制備二維納米材料溶液的常用方法，在多篇相關論文中提及，其步驟可以簡述為：①粗制溶液（常用溶劑為水、酒精、DNF、NMP、THF或其他），此時溶液中材料為塊狀；②利用超聲儀器將粗制溶液中大尺度塊狀顆粒打碎；③離心。

二維材料的共振吸收波長分別是：二硫化鉬679 nm、石墨烯3100nm、黑磷540nm、二硫化鎢920nm，可根據(jù)二維材料的共振吸收波長選擇SSPM實驗所用波長，所選用實驗波長與共振吸收波長越接近越好。

（2）將步驟（1）制備的二維納米材料溶液，用來制備多個（如15個）不同濃度的二維納米材料懸浮溶液，二維納米材料溶液的原始濃度為1～1.5 mg/ml，所得二維納米材料懸浮溶液的變化濃度取從原始濃度的1/28到1/1（這個比例不限定，可根據(jù)實際情況按照一定規(guī)律自行選擇）。

（3）對步驟（2）所制備的各個濃度的二維納米材料懸浮溶液進行空間自相位調制實驗（SSPM實驗），記錄空間自相位調制（SSPM）圖像半徑。

所述空間自相位調制實驗包括以下幾個流程：

[1]使用激光器，光強為100～120nW。

二維材料的共振吸收波長分別是：二硫化鉬679 nm、石墨烯3100nm、黑磷540nm、二硫化鎢920nm，根據(jù)二維材料的共振吸收波長選擇SSPM實驗所用測試波長。

選擇二硫化鉬時，測試波長為350～780nm；選擇石墨烯時，測試波長為780～3200nm；選擇黑磷時，測試波長為350～780nm；選擇二硫化鎢時，測試波長為680～1100nm。

[2]使用50～500mm的凸透鏡聚焦激光打在裝有樣品的比色皿上，比色皿距透鏡120～180mm。

[3]利用CCD探頭接收透射的空間自相位調制（SSPM）圖像。

（4）結合衍射環(huán)半徑，通過曲線擬合得到經(jīng)驗公式。本發(fā)明實驗過程使用origin軟件（也可是其他數(shù)據(jù)處理軟件）中提供的基本函數(shù)模型nonlinear logistic fitting（非線性羅杰斯蒂模型擬合），（A1為初始值，A2為終值，x0為中間值，p為功率，y為測得SSPM圖像半徑，x為溶液濃度）進行擬合；通過擬合的結果，發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)與理論值十分符合，最終可以求得經(jīng)驗公式；而且，SSPM圖像的環(huán)數(shù)會隨著溶液濃度的增大而增多，SSPM圖像的半徑會隨著溶液濃度的增大而變大。

（5）根據(jù)步驟（4）所得的經(jīng)驗公式，可測該二維納米材料未知濃度溶液的濃度。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點:

（1）本發(fā)明中提到的二維材料的共振吸收波長分別是：二硫化鉬 679 nm、石墨烯3100nm、黑磷540nm、二硫化鎢920nm，本發(fā)明SSPM實驗中針對二硫化鉬所用的波長為350～780 nm，（測量相關二維材料的濃度可根據(jù)二維材料的共振吸收波長選擇SSPM實驗所用波長，所選用實驗波長與共振吸收波長越接近越好），而共振吸收的吸收系數(shù)不受大波長散射作用的影響，所以用來表征濃度最為準確。

（2）與溶液蒸干測量方法相比，本發(fā)明操作更為簡單，同時能避免材料的浪費問題。

（3）本發(fā)明利用二硫化鉬的空間自相位調制現(xiàn)象測量溶液濃度，這種非線性法要優(yōu)于傳統(tǒng)的線性法，工業(yè)上利用離散法制備二維材料懸浮溶液，得到的溶液純度很高，但依舊混有其他雜質，雜質和二維材料均有吸光特質。那么采用傳統(tǒng)的線性方法測量二維材料溶液濃度難免受到雜質的影響。利用二維材料特有的非線性光學效應——空間自相位調制，可排除上述影響。

（4）可以通過編寫程序對二維材料溶液進行實時操控。

通過編寫程序來實時處理光學接收器收集到的數(shù)據(jù)：實時讀取SSPM圖像的環(huán)數(shù)以及各個環(huán)的半徑，對單位時間內的多組數(shù)據(jù)取平均，將半徑和環(huán)數(shù)數(shù)據(jù)輸入到已有的半徑和環(huán)數(shù)與濃度的對應關系中，從而得到溶液濃度的實時變化情況。這種方法不僅可以用來研究利用液相法制備的多種二維材料的濃度，還可以研究二維材料在溶液中的擴散、聚集、流動等過程。由于這種方法可進行微區(qū)測試的方法，可以將光束聚焦到幾微米到幾十微米的量級，對一定數(shù)目的二維材料體系進行檢測和操控。

方案原理:

通過事先配制一系列已知濃度的二維材料溶液，先測定一系列已知濃度溶液的SSPM（空間自相位調制）實驗圖像的環(huán)數(shù)和半徑，然后擬合半徑和濃度的關系得到經(jīng)驗公式。對于未知濃度的溶液就可以直接進行空間相位調制的測試，基于測得的數(shù)據(jù)根據(jù)前面得到的經(jīng)驗公式計算出溶液的濃度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的SSPM實驗光路；

圖2是本發(fā)明實驗中任意取的一張二硫化鉬納米材料自衍射圖像。

具體實施方式

實施例1

采用本發(fā)明方法，選擇濃度為0.75mg/ml的MoS2溶液，再次測量該濃度溶液的濃度，驗證此發(fā)明方法是否準確。

（1）采用離散法制備濃度為1.25 mg/ml的MoS2懸浮溶液；

（2）將步驟（1）制備的MoS2懸浮溶液，用來制備15個不同濃度的MoS2懸浮溶液，二維納米材料溶液的原始濃度為1.25 mg/ml，所得MoS2懸浮溶液的變化濃度從原始濃度的1/28到1/1；

（3）對步驟（2）所制備的各個濃度的二硫化鉬懸浮溶液進行空間自相位調制實驗（SSPM實驗），測量SSPM數(shù)據(jù)，記錄各個衍射環(huán)的半徑。

所述空間自相位調制實驗包括以下幾個流程：[1]使用激光器，測試波長為679nm，光強為100nW。[2]使用500mm的凸透鏡聚焦激光打在裝有樣品的比色皿上，比色皿距透鏡120mm。[3]利用CCD探頭接收透射的SSPM圖像。

（4）結合衍射環(huán)半徑，通過曲線擬合得到經(jīng)驗公式。本發(fā)明實驗過程使用origin軟件（也可是其他數(shù)據(jù)處理軟件）中提供的基本函數(shù)模型nonlinear logistic fitting（非線性羅杰斯蒂模型擬合），（A1為初始值，A2為終值，x0為中間值，p為功率，y為測得SSPM圖像半徑，x為溶液濃度）進行擬合，通過擬合的結果，發(fā)現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)與理論值十分符合，最終可以求得經(jīng)驗公式；而且，SSPM圖像的環(huán)數(shù)會隨著溶液濃度的增大而增多，SSPM圖像的半徑會隨著溶液濃度的增大而變大。結合衍射環(huán)半徑和已知濃度，擬合得到經(jīng)驗公式

（5）選擇已知濃度為0.75mg/ml的MoS2溶液進行SSPM實驗，測量其SSPM數(shù)據(jù)，測得其半徑為3.462mm；將數(shù)據(jù)代入基于說明書技術方案擬合得到的經(jīng)驗公式，求得濃度為0.745mg/ml，相對誤差δ=0.6%。

實施例2

采用本發(fā)明方法，將實施例1中材料更換為黑磷。本實施例未記載的操作則與實施例1相同。

（1）采用離散法制得濃度為1.25 mg/ml的黑磷溶液；

（2）將步驟（1）制備的黑磷溶液，用來制備15個不同濃度的黑磷懸浮溶液，二維納米材料溶液的原始濃度為1.25 mg/ml，所得黑磷懸浮溶液的變化濃度取從原始濃度的1/28到1/1；

（3）對步驟（2）所制備的各個濃度的黑磷懸浮溶液進行空間自相位調制實驗（SSPM實驗），記錄空間自相位調制（SSPM）圖像半徑。

所述空間自相位調制實驗包括以下幾個流程：[1]使用激光器，測試波長為540nm，光強為100nW。[2]使用200mm的凸透鏡聚焦激光打在裝有樣品的比色皿上，比色皿距透鏡180mm。[3]利用CCD探頭接收透射的空間自相位調制（SSPM）圖像。

（4）結合衍射環(huán)半徑和已知濃度，擬合得到經(jīng)驗公式

（5）選擇已知濃度為0.85mg/ml的黑磷溶液，測量其SSPM數(shù)據(jù)，測得半徑為246mm。

代入經(jīng)驗公式可求得黑磷溶液濃度為0.853mg/ml，相對誤差δ=0.4%。

對比例

選擇已知濃度為0.75 mg/ml的二硫化鉬溶液，采用線性吸收的方法，再次測量該溶液濃度。

（1）采用離散法制得初始濃度為1.25mg/ml的二硫化鉬溶液，配置一系列濃度為原始濃度1/28～1/1的溶液；

（2）分別測得其吸光度；

（3）利用朗伯比爾定律（其中，為原始光強，為測得的光強，為特定波長下的物質吸收系數(shù)，為溶液濃度，是一個只與吸收物質的分子特性有關，而與濃度無關的常數(shù)，樣品的厚度）進行擬合。得出該材料的濃度關系式

（4）選擇已知濃度為0.75mg/ml的二硫化鉬溶液，測得其吸光度A=1.725代入公式，求得濃度為0.695mg/ml，相對誤差δ=7.3%，采用現(xiàn)有技術的此方法求得溶液濃度的誤差明顯比利用本發(fā)明非線性的方法測量的誤差大很多。