基于金属—有机框架材料复合光纤的二氧化硫气体荧光传感研究

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二氧化硫是一种最常见、最简单而又高度危险的大气污染物,一直以来科学家们致力于研究针对二氧化硫气体的各种检测手段,其中荧光分析法由于具有选择性强、检测速度快、灵敏度较高、检出限较低等优点而被广泛使用。然而在应用时,缺乏高选择性荧光传感材料,且有限的荧光传感材料通常以粉末、分散液或薄膜等非稳定形式存在,传统荧光检测光路对环境要求又极其苛刻,导致目前的荧光传感无法进行高灵敏度、长期稳定、原位实时和远程在线的检测。因而研究制备及集成荧光传感材料,最大程度发挥其探针功能及实际应用性具有重要意义。针对这些问题,本论文探索开展高选择性荧光传感材料、复合荧光传感光纤及高灵敏度荧光传感技术的研究,具体的研究内容和成果如下:(1)在高选择性荧光传感材料方面,探索研究了稀土金属-有机框架材料的可控制备和性能调控方法,选用邻氟苯甲酸作为核簇结构导向剂,设计并使用对SO2具有特异性识别功能的线性有机配体2-氨基对苯二甲酸,与稀土盐通过核簇化的制备策略合成了Eu-BDC-NH2,该材料具有较好结晶性和热稳定性,可在紫外激发下发射出狭窄而尖锐的Eu3+特征荧光,基于荧光共振能量转移原理,实现对二氧化硫气体的高选择性感知。(2)石英基荧光传感材料复合光纤的设计、制备及传感应用研究。基于自主研制的荧光传感材料和光纤结构复合增强荧光效应的原理,设计并研制了气体环境适应型的Eu-BDC-NH2复合石英基传感光纤。采用倏逝波耦合的方式实现将荧光作用由传统的点式增长至数厘米,提高了传感灵敏度。基于此石英基复合光纤实现对SO2气体的高选择性和高灵敏度感知,SO2传感选择度大于10倍,荧光信噪比为17.26 d B,灵敏度达39.8ppm-1,检出限为0.37 ppm,可重复循环测量,具有组成全光纤化分布式多参量光纤荧光传感网络的潜力。(3)一体化荧光传感材料复合柔性光纤的设计、制备及传感应用研究。为进一步增强SO2传感灵敏度和传感光纤的气体环境适应性,设计并优化光纤结构和一体化复合方式稳定、增大光场与荧光传感材料的重叠率,研制出具有芯包结构的Eu-BDC-NH2复合PDMS基柔性光纤,实现荧光激发和收集效率的进一步提高。基于此PDMS基柔性光纤实现对SO2气体的高选择性和高灵敏度传感,SO2传感选择度大于10倍,荧光信噪比为21.41 d B,灵敏度达99.2 ppm-1,检出限为0.24 ppm,可重复循环测量,极大地提升了复合光纤传感器件的稳定性和环境适应性,有望成为集可穿戴、可视化、生物相容性等附加功能于一体的多功能智能传感平台。
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