陕西师范大学房喻教授团队综述：薄膜基荧光气体传感器中的涂层化学

第一作者：刘太宏

通讯作者：房喻

通讯单位：陕西师范大学化学化工学院，应用表面与胶体化学教育部重点实验室

注：此综述是“胶体与界面化学前沿特刊”邀请稿，客座编辑：山东大学郝京诚教授。

引用信息

刘太宏, 苗荣, 彭浩南, 刘静, 丁立平, 房喻. 薄膜基荧光气体传感器中的涂层化学. 物理化学学报, 2020, 36 (10), 1908025. 

doi: 10.3866/PKU.WHXB201908025

Liu, T.; Miao, R.; Peng, H.; Liu, J.; Ding, L.; Fang, Y. Adlayer Chemistry on Film-based Fluorescent Gas Sensors. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36 (10), 1908025. doi: 10.3866/PKU.WHXB201908025

主要亮点

荧光传感具有灵敏度高、选择性好、可设计性强等一系列优点，与之相关的薄膜基荧光传感器则具有功耗低、结构相对简单、可集成性好和易于小型化等突出优点，近年来受到了人们特别的关注。薄膜基荧光传感器的核心是荧光敏感薄膜的创新制备，影响薄膜性能的因素众多，过往的研究对涂层(adlayer)微结构对薄膜传感性能的影响关注甚少。在本综述中，作者结合团队工作实际，系统介绍了涂层结构的调控策略，涂层结构对薄膜传感性能的影响和影响规律，以及这种影响背后的物理化学本质。综述特别强调，薄膜基荧光传感器研究具有突出的跨学科交叉特征，物理化学、特别是表界面物理化学在敏感薄膜创制中发挥着不可替代的作用。

研究背景：意义、现状

近年来，薄膜基荧光气体传感器的研制备受关注，所涉及的涂层化学已经成为物理化学学科发展的一个热点。传感因分析物与敏感层(涂层)物质相互作用引起薄膜静态及动态物理量变化而实现，因此，薄膜传感性能势必受到敏感层物质种类和敏感层微纳结构等因素影响。就薄膜基荧光传感而言，荧光敏感物质的结构和性质对薄膜传感性能起着至关重要的作用。同时，因毛细凝结、色谱效应、尺寸效应、分子间相互作用等因素的存在，敏感层微观结构也极大地影响着薄膜的传感性能。经过国内外学者几十年的努力，薄膜基荧光传感研究在隐藏爆炸物、毒品、挥发性有机污染物检测/监测等方面相继取得突破，部分传感器和探测设备实现了工业应用。

核心内容

薄膜基荧光传感优势突出：1) 薄膜易于器件化；2) 薄膜可以不同形态出现，易于满足不同使用环境和不同传感器结构的要求；3) 传感单元类型多、可设计性好，薄膜创新空间大；4) 易于实现无泄漏探测，在理论上不污染待测量体系；5) 结构相对简单，阵列化相对方便，易于实现便携和多功能化；6) 易于实现实时、原位、在线、可逆探测，从而有可能满足无人值守等自动跟踪探测需要。

荧光传感薄膜创制策略多样：如图1所示，荧光传感薄膜可以通过多种方法或途径制备，主要包括，1) 单分子层化学；2) 侧链构象效应；3) 分子凝胶；4) 组合设计(毛细凝结效应+微环境效应+吸附解吸动力学)等策略。

薄膜高性能化中的涂层化学：在对基质效应、分子尺寸协同效应，以及吸附解吸附动力学分析介绍的基础上，讨论了薄膜基荧光气体传感器研究中的涂层化学问题及其在隐藏爆炸物、毒品、挥发性有机污染物检测/监测等方面的应用进展，展望了薄膜荧光传感器的发展前景和面临的主要挑战。

图1  常见薄膜基荧光传感器制备策略。

结论与展望

薄膜基气体传感器应用领域宽广，市场潜力巨大，但同时也面临诸多挑战。考虑到基于有机结构的薄膜基荧光传感器所具有的突出可设计性、传感性能上的高灵敏性、硬件结构上的可集成性，以及使用过程中的高度稳定性，在未来气体传感器，特别是针对化学物质、生命活性物质、放射性物质的气相高灵敏区分检测用气体传感器发展中，薄膜基荧光传感研究将变得日益重要。化学工作者，特别是以表界面科学问题研究见长的物理化学工作者将扮演越来越重要的角色。

☎作者介绍

 刘 太 宏 

2005年获理学学士学位，2012年毕业于陕西师范大学获工学博士学位，导师为房喻教授。2012–2017年分别在美国中佛罗里达大学(UCF)和新泽西理工学院(NJIT)从事博士后研究工作。迄今在Adv. Mater. Technol.、Chem. Commun.、Sens. Actuators B、ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊发表学术论文40余篇，H 因子为18。主要研究领域为近红外双光子荧光探针的结构创新和性能优化，并探索其在管制类化学品、环境污染物、生物标示物检测等领域的应用。

  房 喻  

中国化学会常务理事，陕西省科普作家协会理事长，中国化学会应用化学学科委员会副主任，美国化学会Langmuir 顾问编委，中国化学会《物理化学学报》、《应用化学》等杂志编委。兼任国家教材委员会委员，国家高中化学课程标准修订组组长，国家义务教育化学课程标准修订组组长。房喻教授先后获得全国优秀教师、五一劳动奖章、全国先进工作者和国家级教学名师等称号。长期从事薄膜基荧光传感和分子凝胶研究工作。先后主持863重点、重大科学仪器专项、重点国际合作、国防973课题、教育部/财政部科技成果转化专项、国家外专局/教育部学科创新引智基地等项目30余项，在JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nat. Commun. 等刊物发表论文240余篇，获授权发明专利40余项。作为主持人先后获陕西省科学技术奖一等奖3项，二等奖1项，获中国化学会胶体与界面化学专业委员会中国软物质研究杰出贡献奖。培养了包括全国百篇优博论文奖获得者、国基委优秀青年基金获得者、国家博新计划入选者等在内的数十名优秀青年人才。主持研制的隐藏爆炸物荧光气相探测设备和毒品荧光探测设备实现了工业生产和规模销售，主持研制的软模板基轻质高强聚苯乙烯泡沫(STPS) 材料示范生产线建设正式启动。

相关拓展

原文链接（点击左下角“阅读原文”即可访问）：

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201908025