上海微系統所在薄膜熒光傳感器研究方面取得進(jìn)展
近日，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)實(shí)驗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，并對熒光傳感與氣體吸附的協(xié)同過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗驗證與理論計算闡釋。相關(guān)論文以 “Fluorophor embedded MOFs steering gas ultra-recognition”為題發(fā)表于A(yíng)dvanced 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(zhù)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，響應性以及選擇性，是目前最有前景的痕量物質(zhì)檢測技術(shù)之一。然而，多數熒光敏感材料存在著(zhù)聚集熒光淬滅（ACQ）效應和光漂白現象，使得滿(mǎn)足實(shí)際應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方面的應用，亟待開(kāi)發(fā)用于氣體傳感的新型高性能敏感材料。針對薄膜有機熒光探針材料所面臨的固態(tài)熒光量子效率差、光穩定性差等問(wèn)題，研究者將有機熒光客體搭載到金屬有機框架（MOF）中，開(kāi)發(fā)了一種對氣體分析物具有高 3S（靈敏度、選擇性、穩定性）的新型主客體式薄膜熒光氣體傳感器，為構建滿(mǎn)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作為被封裝有機客體，采用簡(jiǎn)單的固相合成方法嵌入金屬有機框架ZIF-8中，通過(guò)調整負載比例來(lái)調節其熒光發(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。負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)現對神經(jīng)毒劑沙林的模擬物氯磷酸二乙酯（DCP）的氣相識別（圖1）。
圖1. 利用主客體嵌入式結構實(shí)現對有機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傳感器對待測氣體的預富集賦予了探針優(yōu)異的氣體傳感能力，響應時(shí)間可達 3 s，檢測限低至 1.13 ppb。更重要的是，MOF的籠化效應提高了對于分析物的選擇性，Me4BOPHY-1@ZIF-8對干擾性氣體HCl的響應明顯變弱，而這在以前的文獻報道中是不可避免的。同時(shí)有機金屬框架結構的“籠化效應”還確保了傳感器良好的光穩定性和熱穩定性。有機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4800 s的照射下仍能保持初始熒光強度。綜上，主客體嵌入式設計策略提供了一種對氣體分析物具有高 3S（靈敏度、選擇性、穩定性）的薄膜熒光氣體傳感器，為構建滿(mǎn)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計策略，在危險氣體傳感中具有廣闊的應用前景（圖2）。
圖2. 主客體嵌入式MOF傳感器實(shí)現了高 3S（靈敏度、選擇性、穩定性）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)工作得到科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2022YFB3203500、2021YFB3200800）、國家自然科學(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。
