Adv. Funct. Mater.：Flory–Huggins聚合物光子蒸氣傳感器的通用設計規則

【研究背景】

蒸汽分析物的快速和低成本檢測對于監測食品降解、呼吸分析、工業過程控制和空氣污染監測非常重要。例如，對蒸汽污染物進行持續和廣泛的監測，對于維護城市和工業環境中社區的福祉至關重要，因為這些化合物中有大量的毒性、致癌性以及廣泛的工業和城市來源。同樣，監控密封環境的質量，如食品包裝，可以延長保質期，并保證食品供應鏈中消費者和生產者的質量。為了達到這些目標，檢測系統必須繞過復雜的實驗室分析，通過簡單的程序提供快速、低成本和易于解釋的讀數。聚合物Flory-Huggins光子傳感器（FHPSs）是這項任務的有希望的候選人。FHPSs是由具有不同折射率的交替聚合物構成的多層膜，形成稱為分布式布拉格反射器（DBRs）的介電晶格，這在不同的光子學領域是眾所周知的。光與這些結構之間的相互作用在多層膜的任何界面處產生反射和折射過程，從而形成衍射圖案，其特征在于光譜區域，其中光不能在晶體內傳播并且被反向反射。此外，這些傳感器提供簡單的比色響應，并且在實驗室和工業規模上易于、快速制造。然而，復雜的光學響應和緩慢的響應時間限制了它們的發展。

【成果簡介】

近日，意大利熱那亞大學Paola Lova博士和Davide Comoretto教授采用異丙醇（IPA）作為原型分析物，分析了不同光子傳感器架構的行為，以加快響應時間，并定義了一種簡化其光譜行為的策略。為此，研究了界面、材料順序和厚度對單參分析物在多層傳感器中擴散動力學的影響，以設計最佳結構。該文章近日以題為“Universal Design Rules for Flory-Huggins Polymer Photonic Vapor Sensors”發表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、FHPS的光學響應

（a）多層樣品及其對IPA蒸汽的響應示意圖。

（b-c）曝光前的實驗（黑色）和計算的（紅色）反射光譜，以及1.5雙層和15.5雙層樣品在穩定狀態下收集的實驗光譜（藍色）。

（d-e）1.5雙層樣品和15.5雙層樣品的反射光譜輪廓圖作為曝光時間的函數。

（f-g）分別顯示了1.5和15.5雙層樣品的解吸過程。

圖二、擴散系數

從光學吸附曲線中檢索到的（a）不同層數樣品和（b）2.5不同厚度雙層膜的有效擴散系數。

圖三、不同順序的單雙層樣品的吸附曲線

圖四、吸附動力學

（a-b）雙層膜數量增加的樣品和2.5雙層膜和平均層厚增加的樣品的光譜偏移10 nm的時間。

（c-d）雙分子層數增加的樣品和平均層厚增加的樣品達到穩定狀態的時間。

圖五、解吸動力學

（a）完成解吸過程所需的時間，t_d。

（b）隨著?的增加，樣品的有效擴散系數。

【結論展望】

綜述所述，作者系統地研究了厚度、界面數目以及不同結構（包括薄膜和DBR）在FHPSs中的作用。在該工作中，做著采用PS:CA多層結構作為原理證明系統來檢測單一活度下的異丙醇蒸汽。通過改變層厚度、樣品中的界面數量以及覆蓋層進行分析，并光學評估傳感器響應時間和分析物擴散系數。所獲得的結果使FHPS在傳感和確定擴散特性方面都能得到完美的設計。在所有情況下，作者發現總厚度的增加對響應時間有負面影響。另一方面，增加接口的數量會顯著加快響應速度。然后得出結論，當不需要光子系統典型的純色度響應時，具有足夠厚度的較薄系統以檢測薄膜干涉圖案是優選的。不同聚合物的堆積可以在不嚴重影響響應時間的情況下提高選擇性。最后，作者證明了多層樣品的光譜可逆性，這也顯示了吸附-解吸滯后現象。因此，這表明可以根據聚合物-溶劑相互作用的強度，使用適當的結構配置來調整響應時間，最終包括具有高自由體積的納米復合材料。總之，所研究的體系和結構可以作為設計快速全聚合物蒸汽傳感器的基礎，避免使用無機或雜化結構的需要。

文獻鏈接：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。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。