Adv. Funct. Mater.：Flory–Huggins聚合物光子蒸气传感器的通用设计规则

【研究背景】

蒸汽分析物的快速和低成本检测对于监测食品降解、呼吸分析、工业过程控制和空气污染监测非常重要。例如，对蒸汽污染物进行持续和广泛的监测，对于维护城市和工业环境中社区的福祉至关重要，因为这些化合物中有大量的毒性、致癌性以及广泛的工业和城市来源。同样，监控密封环境的质量，如食品包装，可以延长保质期，并保证食品供应链中消费者和生产者的质量。为了达到这些目标，检测系统必须绕过复杂的实验室分析，通过简单的程序提供快速、低成本和易于解释的读数。聚合物Flory-Huggins光子传感器（FHPSs）是这项任务的有希望的候选人。FHPSs是由具有不同折射率的交替聚合物构成的多层膜，形成称为分布式布拉格反射器（DBRs）的介电晶格，这在不同的光子学领域是众所周知的。光与这些结构之间的相互作用在多层膜的任何界面处产生反射和折射过程，从而形成衍射图案，其特征在于光谱区域，其中光不能在晶体内传播并且被反向反射。此外，这些传感器提供简单的比色响应，并且在实验室和工业规模上易于、快速制造。然而，复杂的光学响应和缓慢的响应时间限制了它们的发展。

【成果简介】

近日，意大利热那亚大学Paola Lova博士和Davide Comoretto教授采用异丙醇（IPA）作为原型分析物，分析了不同光子传感器架构的行为，以加快响应时间，并定义了一种简化其光谱行为的策略。为此，研究了界面、材料顺序和厚度对单参分析物在多层传感器中扩散动力学的影响，以设计最佳结构。该文章近日以题为“Universal Design Rules for Flory-Huggins Polymer Photonic Vapor Sensors”发表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、FHPS的光学响应

（a）多层样品及其对IPA蒸汽的响应示意图。

（b-c）曝光前的实验（黑色）和计算的（红色）反射光谱，以及1.5双层和15.5双层样品在稳定状态下收集的实验光谱（蓝色）。

（d-e）1.5双层样品和15.5双层样品的反射光谱轮廓图作为曝光时间的函数。

（f-g）分别显示了1.5和15.5双层样品的解吸过程。

图二、扩散系数

从光学吸附曲线中检索到的（a）不同层数样品和（b）2.5不同厚度双层膜的有效扩散系数。

图三、不同顺序的单双层样品的吸附曲线

图四、吸附动力学

（a-b）双层膜数量增加的样品和2.5双层膜和平均层厚增加的样品的光谱偏移10 nm的时间。

（c-d）双分子层数增加的样品和平均层厚增加的样品达到稳定状态的时间。

图五、解吸动力学

（a）完成解吸过程所需的时间，t_d。

（b）随着ℓ的增加，样品的有效扩散系数。

【结论展望】

综述所述，作者系统地研究了厚度、界面数目以及不同结构（包括薄膜和DBR）在FHPSs中的作用。在该工作中，做着采用PS:CA多层结构作为原理证明系统来检测单一活度下的异丙醇蒸汽。通过改变层厚度、样品中的界面数量以及覆盖层进行分析，并光学评估传感器响应时间和分析物扩散系数。所获得的结果使FHPS在传感和确定扩散特性方面都能得到完美的设计。在所有情况下，作者发现总厚度的增加对响应时间有负面影响。另一方面，增加接口的数量会显著加快响应速度。然后得出结论，当不需要光子系统典型的纯色度响应时，具有足够厚度的较薄系统以检测薄膜干涉图案是优选的。不同聚合物的堆积可以在不严重影响响应时间的情况下提高选择性。最后，作者证明了多层样品的光谱可逆性，这也显示了吸附-解吸滞后现象。因此，这表明可以根据聚合物-溶剂相互作用的强度，使用适当的结构配置来调整响应时间，最终包括具有高自由体积的纳米复合材料。总之，所研究的体系和结构可以作为设计快速全聚合物蒸汽传感器的基础，避免使用无机或杂化结构的需要。

文献链接：Universal Design Rules for Flory-Huggins Polymer Photonic Vapor Sensors (Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202009626)

本文由大兵哥供稿。

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