上海微系統(tǒng)所在薄膜熒光傳感器研究方面取得進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在薄膜熒光傳感器研究方面取得重要進(jìn)展。該工作為制備優(yōu)異的薄膜熒光傳感器提供了一種有效的策略，并對(duì)熒光傳感與氣體吸附的協(xié)同過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論計(jì)算闡釋。相關(guān)論文以 “Fluorophor embedded MOFs steering gas ultra-recognition”為題發(fā)表于Advanced Functional Materials，論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202401631。
 

　　近年來(lái)，薄膜熒光傳感器在氣體傳感領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，特別是在爆炸物、神經(jīng)毒劑以及毒品等社會(huì)危害品的傳感領(lǐng)域備受關(guān)注。因其具有較高的靈敏度，響應(yīng)性以及選擇性，是目前最有前景的痕量物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)之一。然而，多數(shù)熒光敏感材料存在著聚集熒光淬滅(ACQ)效應(yīng)和光漂白現(xiàn)象，使得滿足實(shí)際應(yīng)用要求的熒光傳感材料并不多見(jiàn)。這極大限制了熒光敏感材料在氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用，亟待開(kāi)發(fā)用于氣體傳感的新型高性能敏感材料。針對(duì)薄膜有機(jī)熒光探針材料所面臨的固態(tài)熒光量子效率差、光穩(wěn)定性差等問(wèn)題，研究者將有機(jī)熒光客體搭載到金屬有機(jī)框架(MOF)中，開(kāi)發(fā)了一種對(duì)氣體分析物具有高 3S(靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性)的新型主客體式薄膜熒光氣體傳感器，為構(gòu)建滿足不同需求的薄膜熒光傳感器提供了一種靈活的方法。
 

　　該工作以ACQ分子Me4BOPHY-1作為被封裝有機(jī)客體，采用簡(jiǎn)單的固相合成方法嵌入金屬有機(jī)框架ZIF-8中，通過(guò)調(diào)整負(fù)載比例來(lái)調(diào)節(jié)其熒光發(fā)射特性。MOFs(ZIF-8)為客體分子提供了各種納米空腔，從而減少了熒光分子的自聚集，有效克服 Me4BOPHY-1 的 ACQ 效應(yīng)。負(fù)載不同比例的客體后，分子的固態(tài)熒光量子效率(QY)從0.76%最高可提升到19.72%。進(jìn)一步地，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)毒劑沙林的模擬物氯磷酸二乙酯(DCP)的氣相識(shí)別(圖1)。
 

　　圖1. 利用主客體嵌入式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)熒光小分子探針熒光量子效率以及傳感性能的提升
 

　　MEMS懸臂梁吸附研究表明，主客體嵌入式MOF傳感器對(duì)待測(cè)氣體的預(yù)富集賦予了探針優(yōu)異的氣體傳感能力，響應(yīng)時(shí)間可達(dá) 3 s，檢測(cè)限低至 1.13 ppb。更重要的是，MOF的籠化效應(yīng)提高了對(duì)于分析物的選擇性，Me4BOPHY-1@ZIF-8對(duì)干擾性氣體HCl的響應(yīng)明顯變?nèi)酰@在以前的文獻(xiàn)報(bào)道中是不可避免的。同時(shí)有機(jī)金屬框架結(jié)構(gòu)的“籠化效應(yīng)”還確保了傳感器良好的光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。有機(jī)熒光分子的熱分解溫度從200 ℃ 升至527 ℃，并且在激發(fā)光波段的激光持續(xù)4800 s的照射下仍能保持初始熒光強(qiáng)度。綜上，主客體嵌入式設(shè)計(jì)策略提供了一種對(duì)氣體分析物具有高 3S(靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性)的薄膜熒光氣體傳感器，為構(gòu)建滿足不同需求的薄膜熒光傳感器提供了一種靈活的方法。提出了一種先進(jìn)的薄膜熒光傳感器的設(shè)計(jì)策略，在危險(xiǎn)氣體傳感中具有廣闊的應(yīng)用前景(圖2)。
 

　　圖2. 主客體嵌入式MOF傳感器實(shí)現(xiàn)了高 3S(靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性)的綜合提升

 

　　論文第一作者為我所碩士生申正奇，通訊作者為付艷艷研究員、程建功研究員和涂敏青年研究員。該工作還得到了祁楷青年研究員、姜修允項(xiàng)目副研究員和香港科技大學(xué)范智勇教授的幫助。相關(guān)工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFB3203500、2021YFB3200800)、國(guó)家自然科學(xué)基金(62022085,62301544、61831021、22201289)、上海科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(22QA1410800)等基金支持。