薄膜熒光傳感

劉鳴華

中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

薄膜熒光傳感的三種可能機(jī)理。

不同于其它探測技術(shù)，熒光以激發(fā)態(tài)實(shí)現(xiàn)傳感。因此，熒光傳感具有靈敏度高、可設(shè)計(jì)性好、儀器結(jié)構(gòu)相對簡單、能耗低、不涉及放射性源、易于實(shí)現(xiàn)便攜等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的特別關(guān)注1,2。薄膜熒光傳感是熒光傳感的一種重要形式，是繼離子遷移譜技術(shù)之后最具發(fā)展?jié)摿Φ目蓪?shí)現(xiàn)便攜的氣相微痕量物質(zhì)探測技術(shù)。敏感薄膜創(chuàng)制是薄膜熒光技術(shù)的核心，薄膜性能主要取決于決定傳感發(fā)生機(jī)制的傳感單元，以及影響傳感對象分子吸附、解析和擴(kuò)散的活性層(adlayer)結(jié)構(gòu)。一般而言，傳感可經(jīng)由三種機(jī)制發(fā)生，一是傳感單元與傳感對象分子間的傳能，二是傳感單元與傳感對象分子間的特異結(jié)合或反應(yīng)，三是傳感對象分子對傳感單元微環(huán)境的擾動。需要指出的是，無論傳感經(jīng)由那種機(jī)制發(fā)生，傳感單元所在活性層的結(jié)構(gòu)都極大地影響著薄膜的傳感性能，特別是傳感響應(yīng)動力學(xué)。因此，傳感單元結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和活性層結(jié)構(gòu)控制制備對于高性能熒光敏感薄膜的創(chuàng)制具有決定性意義。

基于上述理念，陜西師范大學(xué)房喻教授團(tuán)隊(duì)提出了綜合利用“熒光單元激發(fā)態(tài)對微環(huán)境的敏感性”、“活性層微納結(jié)構(gòu)的毛細(xì)效應(yīng)”，以及“吸附、解析、擴(kuò)散動力學(xué)”設(shè)計(jì)制備高性能熒光敏感薄膜的思想，并首次將傳感響應(yīng)動力學(xué)用于區(qū)分檢測3。在工作中，他們以高穩(wěn)定苝二酰亞胺(PBI)、碳硼烷芳烴衍生物等為核心結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制備了一系列溶解性好，具有非平面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的熒光小分子，以其為傳感單元構(gòu)建了多種富含分子通道的熒光薄膜，實(shí)現(xiàn)了對爆炸物(含液體爆炸物)、毒品、BTEX (苯、甲苯、乙基苯、二甲苯)、尼古丁、甲醇等重要化學(xué)物質(zhì)和濕度3–5的氣相靈敏可逆探測。以四配位8-羥基喹啉硼為基本結(jié)構(gòu)單元，設(shè)計(jì)制備了多種包含非平面結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的交替共聚型熒光聚合物和以其為基礎(chǔ)的高性能胃癌標(biāo)志物正戊烷氣相靈敏可逆探測薄膜6。

與美國猶他大學(xué)Stang教授合作，房喻教授團(tuán)隊(duì)通過配位組裝構(gòu)建了多種包含PBI片段，具有非平面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的環(huán)狀、籠狀熒光分子，實(shí)現(xiàn)了分子內(nèi)PBI片段間激子耦合的調(diào)控，發(fā)展了芳胺等有毒有害化學(xué)品的高性能熒光傳感薄膜7,8。在對新型傳感單元研究過程中，房喻教授團(tuán)隊(duì)還首次發(fā)現(xiàn)了溶液中芳烴-氫(Ar-H)參與的分子內(nèi)弱氫鍵作用9。最近，房喻教授團(tuán)隊(duì)利用動態(tài)共價(jià)鍵化學(xué)，在界面限域條件下制備得到了多種自支撐、無缺陷、結(jié)構(gòu)明確的熒光薄膜，實(shí)現(xiàn)了對假酒的非浸入式可靠區(qū)分檢測10。這一薄膜制備策略的引入為活性層結(jié)構(gòu)的控制制備、為傳感響應(yīng)動力學(xué)的模型研究，以及為柔性薄膜熒光傳感研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

上述研究極大地推動了薄膜熒光傳感技術(shù)的發(fā)展，彰顯了需求牽引下的傳感單元結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、活性層結(jié)構(gòu)控制制備，以及物質(zhì)遷移研究的重要意義。