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近年来,基于放大荧光聚合物(AFPs,amplifying fluorescent polymers)的荧光化学传感器因其高选择性和灵敏度显示出自身的优势,获得了迅速的发展,在公共安全、环保等重要领域有着广阔的应用前景。
本论文系统阐述了AFPs化学传感技术的原理,详细介绍了AFPs化学传感器敏感元件的研究现状,针对传统传感器件灵敏度不够的问题,设计和制备了几种AFPs化学传感器敏感元件,并重点研究了其传感机理及在相关传感领域的应用。
主要研究成果包括:
1.设计了PPEs/纳米TiO2复合传感结构。复合体系内形成的激基复合物的光解离可使体系展现出特殊的荧光增强,并能有效提升对TNT的淬灭速度。2.采用溶液浸润模板的方法,制备了TPA-PBPV纳米线阵列,相对于通过甩涂制备的聚合物薄膜,纳米线阵列的高比表面积和通透性有明显的优势,能有效的改善对TNT的传感灵敏度。
3.采用静电纺丝的方法制备了PAN纳米纤维,将TPA-PBPV包覆在PAN纳米纤维表面,形成一种芯鞘结构。实验发现纳米纤维中的倏逝波效应可大幅提高样品的荧光强度和对TNT的响应速度。以其它多种传感材料制备类似芯鞘结构器件,得到了几乎相同的结果,证明此敏感元件具有普适性。
4.首次实现了基于随机激光行为的化学传感器,制备了TPA-PPV/TiO2和PFO/PdTPP/TiO2随机增益介质薄膜,分别对TNT蒸气及胺蒸气表现出极高灵敏度。采用激光四能级理论建模与分析,模拟结果与实验十分吻合。这种基于随机激光的化学传感器制备简单,成本低廉,并利用了激光的高强度、单色性、阈值特性,具有高灵敏度、快速响应和强抗干扰能力。
5.实现了基于平面光波导中ASE(放大自发辐射)行为的敏感元件,制备了厚度在100～200nm之间的PFO/PdTPP薄膜。相对于自发辐射的荧光检测方法,ASE行为将灵敏度提高了近6倍,同时表现出与阈值相关的选择性。这种敏感元件能有效的增加灵敏度,且薄膜结构简洁,厚度较小,从实用化的角度来说具有一定的优势,因此在环境检测等方面有广泛的应用前景。
本论文研究结果表明,基于纳米结构的敏感元件和基于激光行为的敏感元件具有优良的传感特性,对AFPs化学传感技术的发展具有重要意义,有广阔的应用前景。