薄膜基熒光氣體傳感器中的涂層化學

劉太宏，苗榮，彭浩南，劉靜，丁立平，房喻

陜西師范大學化學化工學院，應用表面與膠體化學教育部重點實驗室，西安 710119

1 引言

高性能傳感器是氣體檢測/監測系統的核心，決定著系統的整體性能1-3。隨著物聯網技術的快速發展，氣體傳感器應用空間大幅擴展，市場規模迅速擴大。我國氣體傳感器研究起步較晚，在高端傳感器領域與發達國家差距更為明顯，目前國內高端傳感器市場仍然被發達國家壟斷。氣體傳感器種類多樣，工作原理各異，性能各有不同4-7。圖1列舉了全世界近十年年度氣體傳感器論文發表數量。可以看出，多年來，氣體傳感器發文數量每年以 10%以上的速度持續增長，八年間發文數量翻番。仔細調研會發現，半導體電性測量、石英晶體微天平、電化學、氣相色譜、離子遷移譜和熒光已經成為氣體傳感的主流方法。然而，這些方法大都存在靈敏度低、抗干擾能力差、運行穩定性不理想或價格昂貴等問題，從而限制了其在環境監測、質量監控和安全防護等方面的規模應用8-12。

熒光法依靠與分析物濃度或者暴露時間相關的敏感層熒光性質，如：熒光強度的增強或猝滅、發射波長的移動、熒光各向異性的變化，以及激發發射光譜形狀的變化等作為檢測信號，通過信號采集與處理建立起輸出信號變化與氣體分析物濃度間的聯系13-18。相比于其它方法，熒光光譜法因其固有的激發態響應本性和激發態對微環境的高度敏感性而表現出較高的檢測靈敏度，使其在高端傳感器領域占據重要地位。

圖1 2010年以來氣體傳感器年度論文發表數(截止 2019.08.14)Fig.1 Number of publications on gas sensors per year since 2010 (cut-off date: August 14, 2019).

作為熒光傳感器的一種重要類型，薄膜基熒光傳感器具有一系列突出的優點，例如：1)薄膜易于器件化；2)薄膜可以不同形態出現，易于滿足不同使用環境和不同傳感器結構的要求；3)傳感單元類型多、可設計性好，薄膜創新空間大；4)易于實現無泄漏探測，在理論上不污染待測量體系；5)結構相對簡單，陣列化相對方便，易于實現便攜和多功能化；6)易于實現實時、原位、在線、可逆探測，從而可以滿足無人值守等自動跟蹤探測需要。除此之外，卷對卷(Roll-to-Roll)式的印刷式規模化生產也不難實現19-23。事實上，針對危險有毒有害化學品、生物制劑、放射性物質的探測，薄膜基熒光傳感器的設計制備已經得到了迅猛的發展，成為繼離子遷移譜(Ion Mobility Spectrometry)技術之后，業界公認的極具應用潛力的新一代氣相和液相微痕量有害物質探測技術。

通常來說，熒光傳感薄膜主要由薄膜基質(Substrates)和傳感單元(Sensing Elements)構成的敏感層組成，傳感主要包含以下幾個過程：1)分析物分子首先擴散至敏感層表面并被吸附，2)分析物分子在敏感層內擴散，3)分析物分子與敏感層內激發態傳感單元相互作用并引起其光物理性質的變化，4)分析物分子自敏感層解吸。不難想象，敏感單元種類、基質本性和表面結構、薄膜制備方式等均會影響傳感器的整體性能。因此，想要獲得具有高靈敏度、高選擇性以及良好穩定性的傳感薄膜材料，需要從傳感單元的選擇、薄膜制備策略和基質效應等幾個方面進行優化。

薄膜基熒光傳感是一個廣受表界面化學界關注的研究領域，例如：美國麻省理工大學Swager3,24，德國雷根斯堡大學Wolfbeis1,2，美國伊利諾伊大學Suslick25,26，以色列理工大學Haick27,28，美國猶他大學Zang29,30，香港科技大學和華南理工大學唐本忠16,31，中國科學院上海微系統與信息技術研究所程建功、賀慶國32-37，北京化工大學曹達鵬38,39、呂超40-45，吉林大學盧然46-50，安徽大學張忠平51,52，以及中國科學院化學研究所趙進才院士小組的車延科53,54等在相關領域就開展了一系列富有意義的工作。其中，呂超教授小組對近年來用于化學和生物傳感的發光薄膜的制備策略及研究進展做了較為詳盡的總結(如圖2所示)。文中提到發光薄膜的制備方式包括物理涂覆法(主要指旋涂、浸涂和噴涂等方式)、Langmuir-Blodgett膜技術、單分子層化學自組裝法、層層組裝方法以及靜電紡絲法等。文中強調了薄膜厚度以及多孔性對發光性質和傳感性能的影響40。最近幾年來，呂超教授課題組在基于簇集誘導熒光(AIE)高效發光體系的構筑及其熒光成像分析和傳感應用方面做了一些很有意義的工作。程建功教授團隊近年來設計制備了一系列熒光探針，基于不同傳感機理實現了爆炸物、毒品、神經毒劑等的靈敏傳感。研究結果表明對毒品氯胺酮(K粉)32的熒光理論檢出限可達50 pg·cm-2，對沙林毒劑模擬物氯磷酸二乙酯(DCP)33和過氧化氫34的氣相理論檢出限分別可達0.14 ppb (1 ppb = 1 × 10-9，體積分數)和4.1 ppt (1 ppt = 1 × 10-12，體積分數)。盧然教授團隊46-50通過制備不同共軛熒光分子、結合有機凝膠策略制備納米組裝結構，系統考察了組裝體的形貌對其光物理等性質的影響，同時獲得了具有高靈敏度和高選擇性的熒光化學傳感器，實現了對爆炸物、有機酸和有機胺類等物質的檢測。

作者團隊一直致力于熒光敏感薄膜創制、薄膜器件化以及薄膜器件陣列化等相關研究工作，研發了一系列熒光敏感薄膜材料，成功研制了針對爆炸物、毒品、揮發性有機污染物等有害物質的高性能熒光傳感器和探測設備，實現了技術轉化和規模生產與銷售。具體來講，相繼發展了“單分子層化學(Monolayer Chemistry)”55-58、“側鏈構象效應(Side-Chain Conformation Effect)”59,60、“分子凝膠(Molecular Gels-Based Strategy)”61-63等多種薄膜創制策略，制備了一系列性能優異的薄膜基熒光傳感器。最近，作者團隊創造性地將非平面熒光單元引入薄膜結構，創制了一系列富含“分子通道”的熒光傳感薄膜，結合具有自主知識產權的獨特疊層結構，大大提升了薄膜基熒光傳感器的綜合性能。在相關工作中，提出并建立了結合“毛細凝結效應”、“傳感單元激發態微環境敏感性”和“吸附解吸動力學”的薄膜組合設計思想。本文將結合課題組近期工作進展，簡要討論薄膜基熒光氣體傳感器中的涂層化學現象，舉例說明創制的薄膜基熒光氣體傳感器在隱藏爆炸物、毒品、揮發性有機污染物等的檢測/監測中的應用情況。同時，簡要闡述薄膜基熒光氣體傳感器研究前景和發展所面臨的主要挑戰。

圖2 用于化學和生物傳感的發光薄膜制備方式40Fig.2 Summary of the assembly methods of luminescent films for chemo-/bio-sensing applications 40.

2 敏感薄膜高性能化中的熒光傳感單元

活性層傳感單元結構和性質對傳感器的識別選擇性至關重要。利用作用機理的不同可以設計針對不同識別對象的氣體傳感器。近年來，人們設計合成了包括有機熒光小分子、熒光聚合物、量子點、發光金屬配合物及熒光金屬團簇等多種新型敏感材料，結合傳感器陣列和信號模式轉換，實現了對多種氣體的靈敏傳感，從而滿足不同場合應用的特定需求64-68。

在新型熒光傳感單元開發方面，作者團隊提出利用具有非平面結構的熒光小分子化合物構建富含分子水平孔洞結構的敏感薄膜。此類結構的引入不僅有利于待檢測氣體分子在敏感層內因毛細凝結作用而富集，而且還會因膜內擴散與解吸附性質的差異獲得額外的動力學選擇性。具體來說，先后將具有立體結構特點的自組裝金屬大環化合物、鄰碳硼烷衍生物、四配位有機硼化合物等作為結構要素引入到傳感單元中，以此獲得了一系列性能優異的熒光敏感薄膜材料和相關薄膜基熒光氣體傳感器69-75。

2.1 自組裝金屬大環化合物

與美國猶他大學Stang教授合作，作者團隊的常興茂等73借助定向配位構筑超分子復合物策略，將吡啶修飾的芘衍生物作為功能配位片段，通過與三種不同長度的芳香二羧酸搭配，利用90 °二價鉑制備了三種金屬大環化合物。與熒光活性芘衍生物相比較，大環化合物在極性溶劑中的溶解性大幅度改善。研究發現大環化合物的溶液態熒光行為不僅依賴于聚集程度，還與環的大小密切相關，為熒光行為的深度調控開辟了新的途徑。

考慮到金屬大環化合物的立體結構特點，制備得到了一系列傳感性能優異的熒光薄膜材料。研究發現，相比于吡啶修飾的芘衍生物，大環的形成賦予了熒光單元一系列獨特的性質：1)與配體相比較，金屬配位顯著阻礙了具有大共軛結構的配體間的π-π聚集，溶解性顯著改善；2)通過連接臂替換可以大范圍調控體系的熒光行為；3)與配體相比較，硅膠板擔載金屬配位大環的熒光量子產率顯著提高；4)硅膠板擔載金屬配位大環薄膜的熒光性質對芳香胺的存在十分敏感。據此，發展了靈敏度高、響應速度快、回復時間短，且可長時間穩定使用的薄膜基芳香胺熒光氣相傳感器。相關化合物的結構和傳感器示于圖3.

2.2 鄰碳硼烷衍生物

圖3 (a)自組裝金屬大環化合物結構示意圖和(b)自主開發的傳感平臺及薄膜器件結構示意圖73Fig.3 (a) Scheme of pyrene-based metallacycles via coordination driven self-assembly.(b) A photo of the home-made sensing platform and schematic description of the relevant film devices 73.

圖4 (a)具有三維立體結構的鄰碳硼烷衍生物ZPCarb結構示意圖和(b)基于該化合物創制的薄膜傳感器對乙醇-水含量的響應信號變化74Fig.4 (a) Scheme of monosubstituted fluorescent o-carborane derivative (ZPCarb) with 3D structure.(b) Typical responses of the ZPCarb-based film device to the vapors in the headspace of water-ethanol mixtures of different compositions 74.

乙醇-水二元混合物組成的原位、在線、非接觸式測定具有重要的工業應用價值，然而實現起來極具挑戰。作者團隊的黃蓉蓉等74設計合成了一類新型單取代鄰碳硼烷衍生物ZPCarb (參見圖4)，該化合物在乙醇和水中的量子產率分別約為0.53和0.03。基于該化合物所制備的薄膜基熒光傳感器首次實現了對0%至100%不同水含量的乙醇-水二元混合物的組成測定，且響應時間小于2 s，回復性堪稱完美。更為重要的是，這種方法是通過氣相取樣，很好地避免了薄膜傳感器對樣品的污染。此外，利用此薄膜傳感器也可以實現對乙醇中微量甲醇的靈敏檢測，有望在酒類釀制、食品發酵等行業獲得應用。

2.3 四配位有機硼化合物

近年來，恐怖襲擊和惡性公共安全事件時有發生，危爆品種類不斷翻新。其中液體爆炸物作為一類新型爆炸物因其原料易得、合成制備簡單及爆炸威力大備受關注，其實時、在線、靈敏探測一直未獲重大突破。作者團隊的祁彥宇等75將對微環境變化極為敏感的苝單酰亞胺衍生物作為單齒配體修飾于四配位羥基喹啉硼上，設計制備了一種新型熒光傳感單元PMI-BQ (參見圖5)。研究表明，由于單齒配體對8-羥基喹啉發光中心的光物理性質不產生顯著影響，且二者具有較大程度的光譜重疊，使所得化合物可表現出一定程度的分子內能量轉移，增大了其自身的Stokes位移，為薄膜器件化創造了有利條件。結果表明，以PMI-BQ為傳感單元的薄膜器件對丙酮蒸汽的存在極其敏感，在自主搭建的熒光傳感平臺上實現了室溫下氣相丙酮的高靈敏、高選擇性可逆檢測。并以此為基礎，提出了針對極具挑戰性過氧化爆炸物三過氧化三丙酮(TATP)和二過氧化二丙酮(DADP)檢測的新原理，為開發液體炸藥室溫可逆在線檢測提供了新的思路。

3 敏感薄膜高性能化中的涂層化學

實踐表明，實現快速可逆傳感要求薄膜基熒光傳感器必須同時滿足以下幾個要求：1)待測物分子在敏感層內可以高效擴散，2)待測物分子容易靠近傳感單元，3)敏感層對待測物分子的結合能力恰當，能夠有效滿足高效傳感對有效富集和快速釋放要求。也就是說，只有待測物在敏感層內部能夠高效富集、遷移，才有可能有效改變傳感單元的微環境。也只有快速脫附，才能實現快速可逆響應。

圖5 (a)化合物PMI-BQ的合成路線圖和(b)熒光傳感薄膜對不同量TATP和DADP的傳感響應曲線75Fig.5 (a) Synthesis route for compound PMI-BQ; (b) Response traces of the fluorescent film-based device to the presence of different amount of TATP and DADP 75.

此外，熒光敏感薄膜的傳感性能與敏感層化學本性、結構及其對相關分析物的親疏性也有極大的關系。這是因為，氣體分子的層內擴散主要有兩種類型：一種是克努森(Knudsen)擴散、另一種是分子擴散。通常當孔道平均半徑在1-100 nm范圍內時，氣體分子主要是Knudsen擴散；此時，物質沿薄膜擴散的阻力主要取決于氣體分子與敏感層壁面的碰撞。而通常當孔徑大于100 nm時，分子擴散起主要作用。就Knudsen擴散而言，擴散系數Dk= 4r/3(2RT/πM)1/2，式中r、R、T、M分別為孔道平均半徑、氣體常數、熱力學溫度、待測氣體分子量。可以看出，敏感層孔徑大小和氣體分子量均嚴重影響薄膜傳感器的傳質特性。當敏感層僅存在介孔、微孔或致密結構時，被測氣體分子向敏感層內部擴散阻力較大，在客觀上導致待檢測氣體分子主要分布在敏感層表面，從而影響薄膜整體傳感性能的發揮76-78。由此可見，過于致密的結構并不利于氣體分子的薄膜傳感，因此，高效傳感要求敏感層必須具有足夠的孔隙度(Porosity)。同時，要促進傳感單元與待檢測氣體分子的敏感層內有效作用，氣體擴散又不能太快，這就要在結構上薄膜不能太過疏松。只有同時滿足這兩個似乎相互矛盾的要求才能夠實現靈敏、快速、可逆探測79,80。由此可見，敏感層結構無疑是決定薄膜基熒光傳感器性能的一個十分關鍵的因素。

3.1 基質效應

文獻中常見的基質材料主要包括玻璃板、硅膠板、濾紙、塑料板，特別是化學惰性聚偏氟乙烯板。基質化學本性和表面結構均會影響所擔載熒光分子的聚集行為，從而影響敏感層的結構和熒光行為。當敏感層結構不完整，或者敏感層厚度極其有限時，基質自身的表面微納結構也會像敏感層一樣影響傳感物質分子的薄膜表面與層內結合與擴散，從而影響傳感薄膜的傳感靈敏度、響應速度和傳感可逆性65,81-85。

最近，作者團隊的李敏等86以油包水(W/O)型凝膠乳液為模板制備了具有比表面積大、孔道結構可調、活性位點豐富、表面化學性質可控等眾多優點的多孔材料，以硝基苯并呋咱衍生物NBDCOOH為傳感單元，通過簡單的物理吸附將其與微顆粒多孔材料結合。而后再將這些熒光顆粒分散到乙醇和丙三醇組成的易揮發混合溶劑中，得到熒光墨水。結果表明，以此墨水打印的薄膜熒光強度較之熒光化合物溶液直接打印薄膜熒光強度至少高出45倍，薄膜的光化學穩定性和對二乙胺的傳感性能也因這種多孔材料的引入而顯著改善。此外，利用這種特殊的基質效應，作者還實現了信息的高級加密(參見圖6)。

實踐還發現，將相同的熒光敏感物質組裝到不同的擔載基質表面可以得到完全不同的傳感薄膜。作者團隊的劉科等87首先通過將鄰碳硼烷引入苝酐分子設計中，獲得了具有高發光效率的苝酐衍生物。隨后通過分子組裝策略，獲得了較為均一的納米纖維組裝體，將該組裝體轉移至塑料、玻璃和硅膠三種不同基質表面，進而獲得了由三組薄膜組成的熒光傳感薄膜陣列。基于待檢測氣體在基質表面的毛細凝結和富集作用，結合熒光響應分子激發態性質對微環境變化的敏感性，通過陣列化、邏輯門運算，以及傳感響應動力學信息的挖掘，在自主搭建的系統上，實現了對冰毒、麻古、搖頭丸、K粉、咖啡因、巴比妥等六種重要精神類毒品的超靈敏、高選擇、快速檢測，且樣品無需任何前處理，實現了毒品探測技術的重要突破。

圖6 基于噴墨打印技術制備的柔性薄膜基熒光傳感器及其對二乙胺氣體的傳感器性能86Fig.6 Images of different flexible films and sensing performance of the printed flexible sensing film to diethylamine vapor 86.

圖7 傳感器陣列結構示意圖(a)及其對隱藏爆炸物、毒品和管控化學品的區分檢測(b, c) 88Fig.7 Schematic description and photo of three-film-based sensor array (a) and sensing responses to the examined controlled chemicals and potential interferences (b, c) 88.

圖8 (a)含硼共軛聚合物制備路線；(b)單體化合物B-1晶體的堆積模型；(c)基于含硼共軛聚合物傳感陣列在氣相對不同揮發性有機小分子的二維PCA區分圖及(d)不同濃度正戊烷氣體的響應曲線92Fig.8 (a) Synthesis route for organoboron-containing polymers; (b) Molecular packing mode of compound B-1 in crystal state; (c) Two-dimensional PCA score plot to discriminate the saturated vapors of the tested analytes based on the fluorescent sensor array and (d) the net responses of one film sensor to different concentrations of n-pentane 92.

圖9 (a)苝二酰亞胺衍生物P-PBI的化學結構；(b)自主搭建的熒光薄膜傳感平臺；(c)基于苝二酰亞胺衍生物P-PBI的薄膜傳感器對苯、甲苯、乙基苯和二甲苯(BTEX)的不同響應動力學96Fig.9 (a) Chemical structure of compound P-PBI; (b) Picture and schematic description of the home-made sensing platform; (c) Different sensing dynamics of the fluorescent film sensor based on nonplanar P-PBI to BTEX vapors 96.

另一種制備策略是將不同的熒光傳感物質組裝到相同的擔載基質表面也可以制備具有不同傳感特性的傳感薄膜。作者團隊的劉科等88合成了三種熒光活性物質Py-PE、Py-CB-Ph和Py-CB-PBI，分別將其旋涂到濾紙表面，得到了一組傳感器陣列(參見圖7)，實現了對隱藏爆炸物、毒品和管控化學品的氣相區分檢測。

另外，作者團隊的安閆琴等89將以萘二酰亞胺作為核心熒光單元，修飾氮雜環丁烷以提高化合物發光效率及溶解性，以此獲得了熒光化合物DNNDI，將其負載于濾紙表面，制備出傳感性能優異的熒光傳感薄膜。通過自主搭建的氣相傳感平臺，實現了對丙酮的特異性傳感和對液體炸藥TATP的痕量傳感，檢出限可達0.5 μg·mL-1。同時該傳感過程不受大多數日用品及揮發性有機污染物(VOCs)的干擾。可以看出，巧妙借助基質效應可以實現對結構相近物質的區分檢測90,91。

3.2 分子尺寸協同效應

飽和烷烴是一類重要的信號物質，在消化系統、呼吸系統某些疾病，特別是肺癌的早期診斷，油氣資源的普查勘探中具有重要的意義。然而，飽和烷烴化學性質穩定，也缺乏光電活性，這就使得其原位在線高靈敏探測變得十分困難。作者團隊的祁彥宇等92將非平面熒光單元引入薄膜結構，制備了富含“分子通道”的熒光薄膜陣列，利用內聚能差異，薄膜通道的體積選擇、極性選擇，結合熒光傳感單元薄膜態和溶劑化態時熒光量子產率的差異等特點93,94，在自行搭建的系統上實現了對飽和烷烴的氣相高靈敏選擇性快速識別和檢測(參見圖8)。值得說明的是，對肺癌標示物正戊烷的檢測靈敏度可達3.7 ppm (1 ppm = 1 × 10-6，體積分數)以下，系統響應速度小于1 s，重復測定50次后未觀察到任何響應強度的衰減。相關研究結果為非侵入式實現某些重要疾病的早期診斷提供了新的思路。

3.3 解吸附動力學分析

傳感器的信號輸出通常包含兩種特性：靜態特性和動態特性。氣體傳感器的靜態特性可以理解為某一待測氣體濃度條件下，傳感器的信號輸出值與氣體濃度之間所存在的關系，即傳感器的靜態特性可用一個不含時間變量的代數方程，或以氣體濃度作橫坐標，把與其對應的信號輸出值作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。氣體傳感器靜態特性的主要參數有：線性范圍、靈敏度、重復性等。氣體傳感器的動態特性是指傳感器在氣體濃度變化時，它的信號輸出值隨之發生變化的特性。可以利用這一特性來表征氣體傳感過程中被吸附檢測分子的脫附動態過程，進而分析被檢測分子與敏感層的相互作用本質，對相關結果的利用有助于提高傳感器的識別選擇性95。作者團隊的王朝龍等96設計合成了包含具有三維剛性結構特點的蝶烯的苝二酰亞胺衍生物(P-PBI，參見圖9)。這種非平面熒光分子在薄膜態下可堆積形成豐富的孔道結構，基于由其產生的毛細管凝結作用，實現了對檢測對象的富集，進而實現了對苯、甲苯、乙基苯和二甲苯(BTEX)類單環芳烴的快速選擇性氣相傳感。傳感器的檢出限低于美國國家職業安全與衛生研究院(NIOSH)推薦的長期暴露極限濃度，且可實現穩定重復使用。研究結果表明，正是由于五蝶烯的這種剛性結構，避免了苝二酰亞胺單元之間強烈的密堆積，使得其薄膜態具有較高的熒光量子產率和優異的光化學穩定性，并且可以在基質表面構筑分子水平上的通道，為待測物的擴散、富集提供了可能性。利用類似的策略，同一作者還設計制備了另一種非平面結構熒光分子(P-PBI-P)，以其為熒光傳感單元，制備得到了一種特別優異的濕度檢測用熒光敏感薄膜和器件97。

4 結論與展望

豐富類型，增加集成度，提高性能仍然是未來氣敏傳感器發展的主要趨勢。就薄膜基熒光氣體傳感器而言，提高抗干擾能力和使用穩定性是迫切要解決的問題。勿容諱言，雖然薄膜基熒光傳感器具有諸多優點，但有機結構本性決定了其存在致命的光化學穩定性不理想問題，如何平衡高靈敏度與光化學穩定性需要智慧。隨著研究工作的深入，特別是面向實際應用的器件研究工作開展，穩定性問題將變得日益突出。此外，實際工作中的傳感器必須滿足快速恢復、重復使用的要求，這就要求必須拿出能夠滿足這一要求的脈沖取樣方式。事實上，到目前為止真正實現了工業應用的薄膜基熒光傳感器還主要停留在隱藏爆炸物和毒品探測等方面，真正能夠滿足大樣本、高頻度、定量探測需要的薄膜基熒光傳感器還未見到報道。

此外，以呼氣、體液等為樣本，通過氣體采樣對某些特征信號物質進行靈敏區分探測，進而實現重大疾病的非侵入式早期診斷將成為薄膜基熒光傳感器未來發展的一個重要方向。這就要求薄膜必須高性能化、傳感器必須陣列化、信號處理必須智能化。在這個方面，跨學科、跨領域研究，人工智能的運用將成為必然。其中，一般意義上的薄膜高性能化恐怕難以解決問題，必須要有薄膜設計理念的突破，表界面化學，特別是將表界面結合于一身的涂層化學研究必須深入。

其三，隨著5G技術的發展和普及，物聯網發展將極大加速，這樣作為支撐現代信息社會、智能社會發展基礎的傳感器研究將迎來前所未有的機遇。幾年前，美國通用電氣公司(GE)就提出，在2025年時，要以卷對卷技術每年生產百萬億支化學和生物傳感器，借以滿足智能家庭、智能運輸、智能生產、智能農業、智能管理和智能社會發展的需求。如前所述，薄膜基熒光傳感具備廣闊的可設計性空間，具備印刷制備基礎，具備可集成基礎，因此，發展空間極其巨大。這就要求薄膜基熒光傳感不能簡單的停留在薄膜創新層面，而應結合傳感器硬件結構、信號處理開展工作。針對諸如體味學(Volatolomics)等研究所涉及的復雜樣品，傳感器的結構，信號的提取和加工等將面臨更大的挑戰。針對可穿戴、原位、在線、即時檢測需要，傳感器的大小、形狀性狀、工作模式等也將面臨更多的挑戰。其中，富集、分離、檢測一體化將變得日益重要。

總之，薄膜基氣體傳感器應用領域寬廣，市場潛力巨大，但同時也面臨諸多挑戰。考慮到基于有機結構的薄膜基熒光傳感器所具有的突出可設計性、傳感性能上的高靈敏性、硬件結構上的可集成性，以及使用過程中的高度穩定性，在未來氣體傳感器，特別是針對化學物質、生命活性物質、放射性物質的氣相高靈敏區分檢測用氣體傳感器發展中，薄膜基熒光傳感研究將變得日益重要。化學工作者，特別是以表界面科學問題研究見長的物理化學工作者將扮演越來越重要的角色。