有机半导体荧光传感材料及危险化学品检测应用学术资讯

来源：中国科学杂志社

荧光传感材料作为有机半导体光电功能材料的重要组成之一, 以其灵敏度高、选择性强、响应速度快等优势, 成为当前化学传感领域的一个研究热点。近年来，在反恐、禁毒等领域有着广泛的应用；然而，目前对荧光敏感材料各项性能参数的设计与优化, 依然存在着经验性问题, 需要基于构效结合思维, 从待测物质的分子层次的物性认知出发, 更有针对性地设计相应的传感材料。

中国科学院上海微系统与信息技术研究所贺庆国和程建功团队基于国内外前沿工作, 结合课题组多年在危险化学品荧光传感方向的经验, 以爆炸物、神经毒剂和合成毒品的检测为例, 对荧光敏感材料的设计原则和传感的分子级微观作用机制进行了系统论述。相关文章近期发表于《中国科学：化学》“薄膜基荧光传感专刊”。

近年来, 随着工业水平的不断进步, 化学品的使用日趋普遍。化学品在极大地提升生活水平和便捷性的同时, 也因其危险性对生态环境、公共安全、公众健康等方面都构成了严重威胁。因此, 在工业控制、环境监测、公共安全等相关领域, 对危险化学品的快速、痕量检测存在迫切需求。

荧光传感技术因其灵敏高效而应用广泛, 发展迅速。荧光光谱包含分子结构及电子状态等诸多物理与化学信息, 可以反映荧光物质的分子结构在特定环境中的微小变化, 进而实现对环境参数的高灵敏感知。因此, 荧光传感材料在危险品检测中已经获得了广泛应用, 如美国麻省理工学院的Swager课题组设计合成的共轭聚合物荧光材料, 对TNT炸药具有超高灵敏度, 相应的Fido系列炸药探测器, 实现了2m距离、亚ppb量级TNT气体的有效检测, 已列装美军。然而, 结合大量的文献报道及课题组在荧光传感领域的多年实践, 贺庆国和程建功团队发现荧光传感材料的设计及性能调控, 主要停留在经验性阶段, 即从传感性能和实验现象出发, 通过不断地“试错”过程, 逐步逼近所需功能的传感材料。但试错过程存在工作量大、干扰多、效率低和难预测等缺点。因此, 研究工作的好坏较大程度上依赖于研究者的经验与直觉, 不利于初涉此领域的研究者开展高效率的研究工作。随着荧光传感领域近年来成为研究热点, 前期已有大量的综述报道, 但其中绝大部分偏重于传感材料的合成方法和初步的性能表征, 而缺少从主客体相互作用角度对传感材料进行设计优化和对设计策略进行整体分析的工作。

鉴于此, 本文从深层次理解荧光传感材料主体结构和被检测客体分子各自的理化特性出发, 结合目前危险品检测的有代表性的几类有机荧光敏感材料, 分析了其设计和优化过程中的共性规律, 希望可以为危险化学品检测有机荧光传感材料的设计和应用提供理论支撑。具体的, 本文从分子级层面的主客体相互作用角度出发, 结合该课题组近年来的研究方向与相关成果, 以及国内外最前沿的研究进展, 重点介绍了几类危害性最大的危险化学品的传感体系及其设计策略。

首先阐述了荧光传感体系性能的实现: 以各类荧光材料的功能实现设计思路为切入点, 讨论核心传感过程及其微观机制, 进而分析关键敏感官能团的设计思路。而后阐述荧光传感体系性能的提升: 结合各个影响传感体系性能的关键因素, 阐述了结构设计、优化改造之后, 对主客体相互作用, 以及荧光传感性能的提升。

光诱导电子转移传感机制示意图本文深入总结了针对爆炸物、神经毒气、合成毒品等几大类荧光传感体系的设计策略。利用构效结合, 在充分了解客体分子理化性质的基础上, 分析有利于传感的关键主客体相互作用类型, 继而有针对性地展开荧光传感材料的设计和合成, 可以事半功倍, 节约大量人力、物力, 大幅度提升科研工作的效率。未来, 随着各种分析手段的不断进步, 以及计算机技术辅助热力学、动力学模拟的迅速普及, 基于分子尺度对微观机制的理解, 以及对材料性能的掌握, 已经越来越便利。

在这种发展趋势之下, 通过从微观到宏观的设计途径, 从分子尺度和超分子尺度出发调控分子的自组装趋势, 即能得到各种新型荧光传感体系, 为许多难检测物质的传感研究带来新的机遇。

来源：scichina1950 中国科学杂志社

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