基于智能手机客户端应用的紫外线指数测量方法研究

孟庆华方良槟郑少瑜韩 韬

（1上海交通大学化学化工学院 上海 200240)

(2上海交通大学电子信息与电气工程学院 上海 200240）

基于智能手机客户端应用的紫外线指数测量方法研究

孟庆华1*方良槟1郑少瑜1韩 韬2*

（1上海交通大学化学化工学院 上海 200240)

(2上海交通大学电子信息与电气工程学院 上海 200240）

为便捷实时测量紫外线指数（ultraviolet index，UVI），从响应速度、热稳定性、耐疲劳性和成本这四个方面对常见的几种光致变色化合物进行筛选评估，采用萘并吡喃型光致变色化合物(NP1)，制备染料掺杂溶胶，浸镀法制备变色薄膜,并组装紫外线检测卡。紫外线指示卡上的变色膜遇紫外线辐射后，其变色信息被手机摄像头拍摄后，像素信息被换算为灰度数据（Gy），其与紫外线指数呈有较好的线性关系，据此建立了一种基于智能手机客户端应用的紫外线指数测量方法，方便普通消费者随时测量所处环境的紫外线指数，并适时做好防护准备。

紫外线指数；光致变色；溶胶凝胶；智能手机

1.引言

紫外线是太阳电磁辐射中的一类，是自然界中可供人们利用的一种巨大能源之一。紫外线按其波长可分为三个部分：A紫外线波长位于320-400 nm之间，A紫外线对合成维生素D有促进作用，但过量的A紫外线照射会抑制免疫系统功能，易患红斑病和白内障；B紫外线波长位于280～320 nm之间, B紫外线会使皮肤变红，长期辐射可能导致皮肤癌及抑制免疫系统功能；C紫外线波长位于100～280 nm之间, C紫外线几乎都被臭氧层所吸收。当皮肤受到紫外线的照射时，人体表皮层中的黑色素细胞开始产生黑色素来吸收紫外线，以防止皮肤受到伤害，长时间的紫外线照射会引起大量黑色素沉积在表皮层中，成为永久性的“晒黑”痕迹。此外，紫外线还会促使各种合成材料的加速老化和化学分解；紫外线辐射也会对各种动、植物的生长、发育带来严重危害。近年来，由于平流层臭氧遭到日趋严重的破坏，地面接受的紫外线辐射量增多，应该十分注意紫外线辐射对人体的危害。人们根据紫外线指数预报和有关的知识，就能够主动地、积极地采取行动进行预防，采取对策。

紫外线指数（ultraviolet index，UVI），是指到达地面的太阳光线中的紫外线辐射对人体皮肤的可能损伤程度。世界气象组织及世界卫生组织所建议的计算紫外线指数标准方法为度量直至400 nm不同波长的太阳紫外线强度，将不同波长的太阳紫外线强度乘以红斑作用光谱曲线内对应的加权数值，以反映人类皮肤对紫外线的反应，将以上相乘的结果加起来，得出受红斑光谱加权后的总紫外线强度，单位是毫瓦/平方米（mW/m2）。然后再将红斑光谱加权后的总紫外线强度乘以0.04以得出紫外线指数[1]。紫外线指数用0～15的数字来表示。通常规定，夜间的紫外线指数为0，紫外线指数值越大，表示在愈短的时间里对皮肤的伤害愈强。紫外线指数为0、1、2时，表示太阳辐射中的紫外线量最小，对人体基本上没有影响；紫外线指数为3或4时，表示太阳辐射中的紫外线量是比较低的，对人体的可能影响也是比较小的；紫外线指数为5和6时，表示紫外线的量为中等强度，对人体皮肤也有中等强度的伤害影响；紫外线指数为7、8、9时，表示有较强的紫外线照射强度，这时，对人体的可能影响就比较大，需要采取涂抹防晒霜之类的防护措施；而当紫外线指数大于10时，表示紫外线照射量非常强，对人体有严重的影响，必须加强遮蔽，减少室外活动。

一些以物理学为原理的仪器被开发出来用于测量紫外线强度或紫外线指数,如温差电堆辐射计[2]、压电式辐射计[3]和光电二极管[4]，由此也诞生了一批世界知名的专业光电仪器公司，如：Matcor Inc., Optix Tech Inc., Solartech Inc., Optronics, Photometrics Ltd. 和 Sunsor Inc.等。对于科研机构，可通过专业的光电仪器来测量紫外线指数，而对于普通消费者来说，目前可获得紫外线指数的途径很少。

目前，有采用光化学变色来测量紫外线的方法，比如用含氯高聚物（如PVC）和染料隐色体组成，含氯高聚物受紫外线辐射释放出HCl酸源，酸源就会使染料隐色体显色而起到指示作用[5]，该方法实际测量的是紫外线辐射的辐射剂量，在测量强度时，必须固定辐射时间，然后将其与标准色块相比，其数值方有可比性；该方法的一个缺点是反应不可逆，指示剂只可一次性使用，不能重复使用。

本文拟在课题组长期进行光致变色感光化学的研究基础上[6-10], 采用光致变色原理，将光致变色染料通过杂化涂层负载于日常用品上（包括卡片、手机外壳、腕带、眼镜、书本、首饰和服装等），使其成为具有可逆紫外线变色能力的变色体，通过智能手机摄像头获取变色颜色信息，通过客户端软件转换为紫外线的辐射信息。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

所用试剂均为分析纯或化学纯。光致变色染料2,2-二苯基l-2H-苯并[h]色烯（NP1）为本实验室自行合成[6]，杂化溶胶(PMS-PDMS)按文献方法制备[7]，固含量为15％。

2.2 染料掺杂溶胶和紫外线检测卡制备

在50 mL反应瓶中加入0.02 g染料(NP1)，133.3 g杂化溶胶(PMS-PDMS)，磁力搅拌1小时后，将混合液密封。在室温下静置陈化1天，得染料掺杂硅溶胶材料。将溶胶放置在超声波中进行30 min的振荡处理，以分散溶胶颗粒形成的不稳定的物理团聚，经孔径为0.22 μm的微孔滤膜过滤，在超净室内采用浸镀法在滤纸表面制备薄膜，80℃真空干燥1小时得变色膜，染料在膜中的浓度为0.1％。将其裁剪组装为合适形状，得紫外线检测卡。

2.3 紫外线测量

紫外线测量借助于某品牌智能手机摄像头，拍摄高度为垂直于卡片上方50 cm，关闪光灯，自动白平衡模式，图像分辨率1280*720 px，图片保存格式为JPG后，在基于手机安卓系统上开发的程序中，提取图像中响应像素点的RGB值，然后将其按公式（1）换算为灰度数据（Gy）。

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

测量同时，以光电测量仪器标准方法同步测量其紫外线指数[1]。

3.结果与讨论

3.1 光致变色染料的类型与筛选

光致变色（photochromism）是指一些化合物在受到一定波长的光照射下发生化学反应，由A构型得到另一个不同颜色的构型产物B，而在暗处或热的作用下，又能恢复到原来的构型。A一般在近紫外光谱区（360～400 nm）有吸收，而在可见光谱区（400～750 nm）没有吸收，则称之为隐色体；而B在可见光谱区有明显吸收，则称之为显色体。目前文献经常涉及的光致变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、芳香稠环化合物等类型。出于筛选适用于指示紫外线强度的目的，我们从响应速度、热稳定性、耐疲劳性和成本这四个方面对常见的几种光致变色化合物进行筛选评估，对比情况列于表1。由表1可见，萘并吡喃型光致变色化合物在这四个方面均能基本满足本课题需要。

表1 光致变色染料的类型与性能筛选Fig.1 Different types of photochrmic dyes and the assessments

3.2 染料掺杂薄膜的制备及其光致变色

萘并吡喃型光致变色染料的结构特征是吡喃环通过螺碳原子与芳环连接，在紫外光激发下，分子中螺C—O键发生异裂，引起分子结构和电子分布发生重排，将螺C原子连接的两个环系由交叉变为共平面，形成一个更大的 共轭体系；在可见光或热的作用下，螺C—O键重新生成，发生关环反应返回到螺吡喃结构，形成一个典型的可逆光致变色过程。本文研究的本文所用萘并吡喃型光致变色染料(NP1)结构较为简单，没有容易引起降解副反应的取代基（如氨基、羧基），褪色速度快，光敏性好，颜色深度（灰度）随紫外线强度升高而增加（图1）。

溶胶-凝胶法（Sol-Gel）常用于制备低成本硅胶传感涂层，可以用于承载上述光敏探针分子，具有薄膜微结构可控，其孔径和表面形貌可以通过仔细控制反应条件来获得，这对客体分子的扩散、运输和识别是非常重要的[11]。形成的溶胶可以在各种基底上成膜，制成各种功能制品。由于萘并吡喃型光致变色染料变色中分子结构有较大的扭转，我们在杂化体系中引入较为柔性的PDMS单元，提高其变色灵敏性（图1）。

图1 NP1在柔性环境中的可逆光致变色机理Fig.1 The reversible photochromism of NP1 compound in a flexible environment

3.3 灰度与UVI的线性关系

紫外线指示卡上的变色膜遇紫外线辐射后，其变色信息被手机摄像头拍摄后，像素信息被转换成换算为灰度数据（Gy），对比同时以标准方法测量的紫外线指数，发现二者之间具有较好的线性关系（图2），其线性方程为公式（2）：

由此，我们依据此线性关系可建立了一种基于智能手机客户端应用的紫外线指数测量方法，非常方便于普通消费者随时随地测量所处环境的紫外线指数，并适时做好防护准备。

图2 变色膜灰度与紫外线指数的线性关系Fig.2 The relationship between the grayscale and the UVI value

4.结论

本文从响应速度、热稳定性、耐疲劳性和成本这四个方面对常见的几种光致变色化合物进行筛选评估，采用萘并吡喃型光致变色化合物(NP1)，制备染料掺杂溶胶，浸镀法制备变色薄膜,并组装紫外线检测卡。紫外线指示卡上的变色信息被手机摄像头拍摄后，像素信息被转换成换算为灰度数据（Gy），与紫外线指数呈有较好的线性关系，建立了一种基于智能手机客户端应用的紫外线指数测量方法。

[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] 钱水娟，洪桂生.“星光”紫外线强度与消毒效果指示卡[J].影像材料，1986, 5：55-56.

[6] 符定良，光致变色化合物的合成与性能研究[D]. 上海交通大学, 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，孟庆华，黄德音, 吗啉取代萘并吡喃化合物的结构性能关系研究[J]. 信息记录材料，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] 孙志成, 孟庆华. 溶胶-凝胶法制备含偶氮生色团的三阶非线性材料[J]. 合成化学, 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

自然科学基金( No.11174205)