倏逝波激发ZnO/荧光共轭聚合物复合纳米光纤及其在化学气体传感中的应用

公共安全领域中对挥发性有机物蒸气的痕量检测极为重要，荧光共轭聚合物因其特异性和信号放大效应成为最佳候选材料。实验证明，受激辐射模式下的荧光共轭聚合物对目标分子的传感灵敏度和响应速率都有大幅提高。项目围绕ZnO/荧光共轭聚合物复合纳米光纤传感体系，通过研究该体系的光谱特征与纳米光纤几何结构、光学特性、泵浦条件以及聚合物包层光学性质的依赖关系，揭示多包层纳米光纤的倏逝波传输特性及其激发包层聚合物的物理机制，确定ZnO纳米光纤表层特性对包层聚合物受激辐射的影响。通过研究该体系与化学气体分子作用时，其荧光的动态变化和纳米光纤传导能量的变化，揭示体系中不同倏逝波分布对传感灵敏度和响应速率的影响，确定ZnO纳米光纤表层特性对传感的作用，探索复合纳米纤倏逝波激发效应在痕量气体传感方面的应用。该项目的成功实施，将克服光栅传感技术的难加工高成本等缺点，为高性能、低成本、网络化气体传感提供理论依据和技术支持。

公共安全领域中对挥发性有机物蒸气的痕量检测极为重要，基于荧光共轭聚合物的传感技术因其特异性好、信号放大效应、高灵敏度成为今年国际上的研究热点，然而该技术的发展一直受到几个关键问题的制约。首先，荧光共轭聚合物材料合成工艺复杂，在分子设计中要同时兼顾分子间能级匹配、特异性检测基团选择、荧光发光基团选取、分子间吸附作用力、分子间空间架构匹配等多种因素，因此获取特异性荧光共轭聚合物传感材料的工艺复杂，需要耗费很大的人力、物力和时间。再者，共轭聚合物，在光激发条件下，极易产生“光漂白”从而降低传感效果、减小使用寿命。因此，如何通过敏感元件中的结构设计最大限度发挥材料的敏感特性、延长使用寿命尤为重要。项目基于不同形貌的ZnO纳米线阵列，构建了ZnO/荧光共轭聚合物复合纳米光纤传感体系，研究了不同工艺条件对ZnO纳米线阵列结构的影响以及不同结构与复合纳米光纤光学特性的依赖关系，揭示多包层纳米光纤的倏逝波传输特性及其激发包层聚合物的物理机制。研究了传感体系与化学气体分子作用时，其荧光的动态变化，揭示体系中不同倏逝波分布对传感灵敏度和响应速率的影响。研究结果表明，在选择相同传感材料、相同入射和检测条件下，复合纳米光纤体系的光学和结构调制作用，可以有效降低荧光共轭聚合物材料的放大自发辐射（ASE）阈值，使得荧光强度提高52.4倍，灵敏度提高100%，满载时间延长5倍。研究结果发现，该纳米线复合体系的调制特性对于小分子荧光传感材料同样适用，同时该结构能够减小分子自聚集效应，发挥协同效应优势，使得气体检测限提高1000倍。此外，在发挥光学和结构调制作用的同时，ZnO特有的催化性能在项目研究中被充分发掘，通过特殊的吸附催化过程，使得TPA-PR-BOR对氧化物类炸药TATP的脱硼反应速率提高42倍。本项目成功实施，为荧光传感技术的发展提供了高效的途径，可以作为结构支撑平台用于不同种类的荧光传感材料。纳米线复合结构能够大幅提高材料的信号强度、灵敏度和使用寿命，降低其受激辐射阈值及其对激发光源的要求，非常有利于降低传感器的成本和能耗。同时，项目中所设计微纳结构对基地要求很低，可与MEMS技术兼容，为高性能、微型化、低成本、网络化气体传感提供了实验和理论基础，相比光栅传感技术，其在加工成本及可兼容型方面占据很大优势。