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上海微系统所在薄膜荧光传感器研究方面取得进展

近日,中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术实验室在薄膜荧光传感器研究方面取得重要进展。该工作为制备优异的薄膜荧光传感器提供了一种有效的策略,并对荧光传感与气体吸附的协同过程进行实验验证与理论计算阐释。

近年来,薄膜荧光传感器在气体传感领域发挥着至关重要的作用,特别是在爆炸物、神经毒剂以及毒品等社会危害品的传感领域备受关注。因其具有较高的灵敏度,响应性以及选择性,是目前最有前景的痕量物质检测技术之一。然而,多数荧光敏感材料存在着聚集荧光淬灭(ACQ)效应和光漂白现象,使得满足实际应用要求的荧光传感材料并不多见。这极大限制了荧光敏感材料在气体检测方面的应用,亟待开发用于气体传感的新型高性能敏感材料。针对薄膜有机荧光探针材料所面临的固态荧光量子效率差、光稳定性差等问题,研究者将有机荧光客体搭载到金属有机框架(MOF)中,开发了一种对气体分析物具有高 3S(灵敏度、选择性、稳定性)的新型主客体式薄膜荧光气体传感器,为构建满足不同需求的薄膜荧光传感器提供了一种灵活的方法。

该工作以ACQ分子Me4BOPHY-1作为被封装有机客体,采用简单的固相合成方法嵌入金属有机框架ZIF-8中,通过调整负载比例来调节其荧光发射特性。MOFs(ZIF-8)为客体分子提供了各种纳米空腔,从而减少了荧光分子的自聚集,有效克服 Me4BOPHY-1 的 ACQ 效应。负载不同比例的客体后,分子的固态荧光量子效率(QY)从0.76%最高可提升到19.72%。进一步地,实现对神经毒剂沙林的模拟物氯磷酸二乙酯(DCP)的气相识别(图1)。

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1. 利用主客体嵌入式结构实现对有机荧光小分子探针荧光量子效率以及传感性能的提升

MEMS悬臂梁吸附研究表明,主客体嵌入式MOF传感器对待测气体的预富集赋予了探针优异的气体传感能力,响应时间可达 3 s,检测限低至 1.13 ppb。更重要的是,MOF的笼化效应提高了对于分析物的选择性,Me4BOPHY-1@ZIF-8对干扰性气体HCl的响应明显变弱,而这在以前的文献报道中是不可避免的。同时有机金属框架结构的“笼化效应”还确保了传感器良好的光稳定性和热稳定性。有机荧光分子的热分解温度从200 ℃ 升至527 ℃,并且在激发光波段的激光持续4800 s的照射下仍能保持初始荧光强度。综上,主客体嵌入式设计策略提供了一种对气体分析物具有高 3S(灵敏度、选择性、稳定性)的薄膜荧光气体传感器,为构建满足不同需求的薄膜荧光传感器提供了一种灵活的方法。提出了一种先进的薄膜荧光传感器的设计策略,在危险气体传感中具有广阔的应用前景(图2)。

上海微系统所在薄膜荧光传感器研究方面取得进展

2. 主客体嵌入式MOF传感器实现了高 3S(灵敏度、选择性、稳定性)的综合提升

论文第一作者为我所硕士生申正奇,通讯作者为付艳艳研究员、程建功研究员和涂敏青年研究员。该工作还得到了祁楷青年研究员、姜修允项目副研究员和香港科技大学范智勇教授的帮助。相关工作得到科技部国家重点研发计划(2022YFB3203500、2021YFB3200800)、国家自然科学基金(62022085,62301544、61831021、22201289)、上海科学技术委员会(22QA1410800)等基金支持。


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