基于光致变色复合材料的光学传感检测器件研究

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现阶段的以光信号响应为基础的传感技术得到了深入而广泛的研究,研制一种面向全光通信传感与检测器件成为人们的迫切需求。随着材料科学的进步,使得人们可以设计和利用各种功能性材料来制造性能优异的传感器件,为现代传感技术的深入开发与应用带来了新的机遇。螺吡喃类材料因其独特的性质成为研究最广泛的有机光致变色材料之一。螺吡喃类化合物在紫外曝光条件下会产生光致变色现象,分子结构转化为花青素形式,花青素进一步在紫外光激发下在可见光波段产生荧光。此外,氯化氢(HCl)气体会使花青素分子质子化,从而导致其荧光消失,且以上过程都具有可逆性,从而决定了螺吡喃可以应用于光学传感检测等方面。螺吡喃的光转换能力使其作为光化学传感器材料在检测有机和无机目标分子方面比其他比色和荧光探针具有更多优势,通过利用外部和非侵入性刺激,例如光场刺激,可以控制螺吡喃与待检测物质的相互作用,从而扩展了其应用范围。本文通过对螺吡喃光致变色特性的研究,结合光纤波导传输特性,开发了一种面向紫外光强和HCl气体浓度传感检测的螺吡喃掺杂型聚二甲基硅氧烷器件。研究内容如下:(1)制备了螺吡喃掺杂型聚二甲基硅氧烷复合材料,通过对复合材料在紫外照射和HCl气体环境下颜色、吸收光谱及荧光光谱响应特性的研究,讨论了螺吡喃材料光致变色与酸致变色的规律与应用潜力。(2)将螺吡喃复合材料填充至毛细管或涂覆于毛细管外壁,分别制备面向紫外光强及HCl气体浓度传感检测的光学器件。利用毛细管的波导特性,将螺吡喃的荧光响应有效地采集到光谱仪中,大幅增强了所探测的荧光强度,提高了器件的传感检测范围。从而实现对紫外光强度和HCl气体浓度进行更高精度的传感检测。通过研究螺吡喃掺杂浓度对器件荧光及吸收光谱的影响,进一步优化了器件制备方法,提升器件性能。所制器件具有体积小、重量轻、结构简单、易于制备等特点,实现了对弱紫外光强和亚ppm级HCl气体浓度的传感检测,为研制面向全光通信传感与检测的器件提供了一种新的技术途径。
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