Niedawno Laboratorium Technologii Czujników Szanghajskiego Instytutu Mikrosystemów i Technologii Informacyjnych Chińskiej Akademii Nauk (SIIST) poczyniło istotne postępy w badaniach nad cienkowarstwowymi czujnikami fluorescencyjnymi. Praca ta dostarcza skutecznej strategii przygotowania doskonałych cienkowarstwowych czujników fluorescencyjnych, a także eksperymentalnie weryfikuje i teoretycznie oblicza synergistyczny proces wykrywania fluorescencji i adsorpcji gazu.
W ostatnich latach cienkowarstwowe czujniki fluorescencyjne odegrały kluczową rolę w dziedzinie wykrywania gazów, zwłaszcza w dziedzinie wykrywania zagrożeń społecznych, takich jak materiały wybuchowe, środki paralityczno-drgawkowe i narkotyki. Ze względu na wysoką czułość, responsywność i selektywność są jedną z najbardziej obiecujących technologii wykrywania substancji śladowych. Jednak większość materiałów fluorescencyjnych wrażliwych cierpi na efekt agregowanego wygaszania fluorescencji (ACQ) i zjawisko fotowybielania, co sprawia, że materiały fluorescencyjne spełniające wymagania praktycznych zastosowań są rzadkie. To znacznie ogranicza zastosowanie materiałów fluorescencyjnych wrażliwych w detekcji gazów i istnieje pilna potrzeba opracowania nowych, wysokowydajnych materiałów wrażliwych do wykrywania gazów. Mając na uwadze problemy niskiej wydajności kwantowej fluorescencji w stanie stałym i słabej fotostabilności, z którymi borykają się cienkowarstwowe organiczne materiały sond fluorescencyjnych, naukowcy opracowali nowy typ cienkowarstwowego czujnika gazu fluorescencyjnego typu gospodarz-gość o wysokiej czułości, selektywności i stabilności (3S) dla analitów gazowych poprzez umieszczenie organicznego gościa fluorescencyjnego na szkielecie metaloorganicznym (MOF), co zapewniło elastyczną metodę konstruowania cienkowarstwowych czujników fluorescencyjnych spełniających różne potrzeby. elastyczne podejście.
W tej pracy cząsteczka ACQ Me4BOPHY-1 została użyta jako zamknięty organiczny gość, który został osadzony w metaloorganicznym szkielecie ZIF-8 przy użyciu prostej metody syntezy w fazie stałej, a jego charakterystyki emisji fluorescencji zostały dostosowane poprzez dostosowanie współczynnika obciążenia. MOF-y (ZIF-8) zapewniły cząsteczce gościa MOF-y (ZIF-8) zapewniają różne nanownęki dla cząsteczek gościa, zmniejszając w ten sposób samoagregację cząsteczek fluorescencyjnych i skutecznie pokonując efekt ACQ Me4BOPHY-1. Wydajność kwantowa fluorescencji w stanie stałym (QY) cząsteczki wzrosła z 0.76% do 19.72% przy różnych stosunkach cząsteczek gościa. Ponadto uzyskano identyfikację w fazie gazowej dietylochlorofosforanu (DCP), analogu środka paralityczno-drgawkowego sarinu (rysunek 1).
Rysunek 1. Poprawa wydajności kwantowej fluorescencji i wydajności wykrywania organicznych sond fluorescencyjnych małych cząsteczek przy użyciu wbudowanych struktur typu gospodarz-gość.
Badania adsorpcji belki wspornikowej MEMS wykazały, że wstępne wzbogacenie czujnika MOF osadzonego w układzie gospodarz-gość dla mierzonego gazu wyposażyło sondę w doskonałą zdolność wykrywania gazu, z czasem reakcji do 3 s i granicą wykrywalności tak niską jak 1,13 ppb. Co więcej, efekt klatkowy MOF poprawia selektywność analitu, a Me4BOPHY-1＠ZIF-8 jest wysoce selektywny w stosunku do zakłócającego gazu HCl. -8 jest znacznie słabszy w reakcji na zakłócający gaz HCl, co było nieuniknione w poprzedniej literaturze. Tymczasem „efekt klatkowy” struktury szkieletu metaloorganicznego zapewnia również dobrą fotostabilność i stabilność termiczną czujnika. Temperaturę rozkładu termicznego cząsteczek organofluorescencyjnych zwiększono z 200 stopni do 527 stopni, a początkowa intensywność fluorescencji była utrzymywana nawet po 4800 s napromieniowania laserowego w paśmie wzbudzenia. Podsumowując, strategia projektowania osadzonego obiektu-przedmiotu zapewnia cienkowarstwowy czujnik gazu fluorescencyjnego o wysokiej 3S (czułość, selektywność i stabilność) dla analitów gazowych i oferuje elastyczną metodę konstruowania cienkowarstwowych czujników fluorescencyjnych w celu zaspokojenia różnych potrzeb. Zaproponowano zaawansowaną strategię projektowania cienkowarstwowych czujników fluorescencyjnych o obiecujących zastosowaniach w wykrywaniu niebezpiecznych gazów (rysunek 2).
Rysunek 2. Czujnik MOF wbudowany w układ host-gość realizuje syntezę o wysokiej czułości, selektywności i stabilności (3S)
Pierwszym autorem artykułu jest Zhengqi Shen, studentka studiów magisterskich w naszym instytucie, a autorami korespondencyjnymi są Yanyan Fu, badaczka, Jiangong Cheng i Min Tu, młoda badaczka. Pracę wspomagali również młoda badaczka Kai Qi, współpracowniczka projektu Xiuyun Jiang i prof. Zhiyong Fan z Hong Kong University of Science and Technology. Powiązane prace były wspierane przez National Key Research and Development Program Ministerstwa Nauki i Technologii (2022YFB3203500, 2021YFB3200800), National Natural Science Foundation of China (62022085, 62301544, 61831021, 22201289) oraz Shanghai Science and Technology Commission (22QA1410800).
