研究方向

在基础研究方面,课题组的主要研究内容紧密围绕开发新型的光化学传感器,从三个方面进行展开:1. 传感单元的开发;2. 传感器的构建;3. 信号的采集与处理

1. 传感单元的开发:

1.1)商品化指示剂的筛选
光化学比色传感器基于被分析物与传感单元之间强的分子间作用力,因此具有较好的响应能力。其传感单元主要包括:1)金属卟啉类等路易斯酸用于对路易斯碱响应;2)pH指示剂用于对布朗斯特酸/碱的响应(例如,质子酸和氢键);3)对极性响应的色素;4)金属盐类对具有还原性被分析物的响应。针对不同的检测对象、应用条件以及测试环境,需要筛选合适的指示剂传感单元。课题组在指示剂传感单元的筛选方面积累了较多的经验,可以为特定场合中目标被分析物的快速筛查与预警提供完备的方案与技术支持。

1.2)基于BODIPY母体分子衍生的化学传感器分子
BODIPY因其较小的斯托克斯位移和极高的荧光量子产率引起了广泛的关注。通过对其进行衍生化,引入具有较好配位能力的官能团,或引入具有不同电子推拉能力的基团,能实现对BODIPY母体光化学传感性质的调节,得到一系列具有不同发射波长和传感能力的功能性荧光分子。利用这些光化学分子探针,课题组实现了对水中重金属离子、人体内微量金属元素以及巯基氨基酸等被分析物的快速检测。目前,课题组正在尝试通过对BODIPY分子的进一步衍生化,实现对常见爆炸物分子及类似物的光化学传感。

1.3)基于金属掺杂的碳基光化学传感材料
通过掺杂不同的金属离子,实现了碳点自身光学性质的改变,同时在碳点中引入新的传感位点。利用碳点自身的半固态荧光性质,金属掺杂的碳点可以实现对气体分子的响应。目前,课题组正致力于通过调节配体分子结构和金属掺杂物,实现对工业气体、VOCs等气体被分析物的光化学传感响应。

1.4)铜基荧光传感材料的制备
通过调节配体,实现基于卤化亚铜纳米材料的固体荧光调控。在此基础上,课题组致力于利用这些材料自身独特的性质,通过比色原理,实现对VOCs、农药残留物、爆炸物等被分析物的快速检测。

2. 传感器的构建

显色材料的固载体系的研究
在大多数情况下,指示剂需要被固载到基质材料上。固载材料的吸附性、多孔性,和高比表面积可以使指示剂与被分析物充分接触,同时避免在测试过程被洗掉或渗出,提升指示剂的稳定性。因此,指示剂固载化是光化学比色传感器设计和构建中最重要步骤之一。

2.1)溶胶凝胶体系
溶胶凝胶可以提供一个相对温和的固载体系,以硅胶溶胶凝胶为例,通过硅氧烷的水解与缩聚形成一个多孔类似于玻璃的基质,指示剂分子固载其中。通过调节固载体系的性质(如溶胶的pH值、前驱物类别和浓度、水份含量以及水解缩合程度等)来优化传感器的工作性能。

2.2)聚合物体系
聚合物被广泛应用于构建指示剂的固载体系。常用做固载指示剂的聚合物包括聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚硅氧烷、聚四氟乙烯、 纤维素衍生物等。

3. 信号的采集与处理

在常见的几种色彩模型中,RGB色盘在数字化图像中应用最为广泛。对于显色反应的数字化处理,通常情况下是首先利用CCD或CMOS等光电器件(手机、照相机、扫描仪等)采集传感体系反应前后的图像信息。利用软件对图像中选定区域的色彩RGB值进行差减,并进行均一化处理,得到传感体系反应前后的特征颜色变化。 

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