荧光湿度传感器的研究进展

1、荧光湿度传感器的研究进展    2012-09-12     论文导读:在简要介绍荧光化学传感器的基础上，分别从荧光湿敏材料、薄膜的制备方法和荧光检测方法等方面对国内外荧光湿度传感器的发展进行了综述。荧光湿度传感器具有灵敏度高、选择性好、抗电磁干扰能力强、本质安全(即阻燃、防爆)及设备简单等特点，必将使其今后获.    在简要介绍荧光化学传感器的基础上，分别从荧光湿敏材料、薄膜的制备方法和荧光检测方法等方面对国内外荧光湿度传感器的发展进行了综述。荧光湿度传感器具有灵敏度高、选

2、择性好、抗电磁干扰能力强、本质安全(即阻燃、防爆)及设备简单等特点，必将使其今后获得广泛的应用。湿度的准确测量对国防科技、航空航天、发电变电、纺织、食品、医药、仓储、农业等行业都具十分重要的意义。传统的电容式、电阻式等电量湿度传感器虽具有测量精度高、响应速度快等优点，但存在着不能在严重污染和强电磁干扰环境下工作等问题。因此，发展防污染、抗电磁干扰、本质安全(即阻燃、防爆)的非电量湿度传感器具有重要的实际应用价值。近年来，荧光化学传感器的发展为非电参量湿度传感器的开发奠定了理论和技术基础，本文在简单介绍荧光化学传感器的基础上，综述了荧光湿度传感器的研究进展，以期促进国内的相关研究工作。荧光化学传

3、感器1980年，PetersonJI设计出第一个荧光学传感器，它的出现标志着分析化学有了重大的发展。荧光化学传感器(fluorescentchemicalsensor)以荧光参量:荧光强度、荧光光谱形貌、荧光各向异性、荧光寿命等为检测信号，实现对待测分析物的检测。荧光化学传感器不但具有灵敏度高与选择性好等荧光分析的特性，且可利用光纤技术实现远距离实时检测，同时又具有抗电磁干扰能力强等优点。选择性识别是荧光化学传感器工作的核心，这个过程主要包括两方面:一方面荧光化学传感器(荧光指示剂)与感兴趣的分析对象产生选择性相互作用;另一方面，在发生选择性相互作用的同时伴随有可检测的荧光信号产生变化。通常荧

4、光化学传感器主要由三部分组成，可用3R表示，如图1所示。所谓的3R，就是指分子识别部分，即接受体，负责识别和结合客体分子;报告器部分，即发色体，负责产生荧光信号;中继体部分，负责连接发色体和接受体。图1荧光化学传感器的工作原理示意图Fig1Workingprinciplediagramoffluorescentchemicalsensor超分子化学为荧光传感元素的选择、设计及合成提供了理论基础，如主客体化学、物种尺寸的匹配以及不同的相互作用力等。接受体的设计首先需了解底物分子与接受5传感器与微系统第31卷体的形状与尺寸以及两者的作用基团(位点)分布等。比如:对阳离子接受体的选择需要考虑阳离子的

5、电荷、半径和电子构型等，同时也应对接受体的配位原子与阳离子间的软硬酸碱性质加以考虑;同样选择阴离子接受体时，需考虑阴离子的形状、几何构型、电荷密度以及溶剂化作用等。目前，荧光化学传感器已在许多分析测试领域获得广泛的研究和应用。例如:用于金属离子检测的有，BronsonRT等人制备了超灵敏荧光传感器用于Cd2+的检测，且碱金属离子的存在不干扰测定。VeenNJ等人利用杯芳烃与芘的主客体关系，将两者同时共价结合于玻璃表面，得到了能够选择性识别Na+离子的荧光传感薄膜，可用于Na+离子的检测。MéivierR等人在杯芳烃上一次引入4个萘磺酰胺基团，将得到的化合物制成Pb2+传感器，在Na+

6、，K+，Ca2+，Zn2+，Hg2+等共存条件下测定水溶液中的Pb2+具有非常高的选择性和灵敏度。其次用于有机污染物检测的有，JiaoCX和YangX等人分别将香豆素衍生物和N乙烯基缩二氨基脲(VCZ)以共价方式键合于石英玻片表面，制备了对呋喃西林和秋水仙碱有特异响应的传感薄膜材料。HuangHM等人基于具有分子导线效应的荧光共轭聚合物能对响应信号起放大作用的特点，将聚2，5二甲氧基苯基丁二炔包埋于PVC膜中，设计了对邻硝基酚进行痕量分析的荧光化学传感器。另外，在气体检测领域，荧光气体传感器也不断涌现。McDonaghC等人采用溶胶凝胶(sol-gel)的方法包埋钌配合物Ru(Ph2phen)

7、2+3制成了溶解氧传感器。陈曦等人运用有机改性的溶胶凝胶技术制备了基于荧光猝灭的溶解氧探头和氨探头，并将这些探头制成的传感器应用于海洋、环境检测等方面。ZhangSJ等人设计制备的芘(Py-rene，Py)功能化荧光传感薄膜实现了对硝基芳烃类化合物微痕量蒸气的成功检测。荧光湿度传感器荧光湿度传感器具有灵敏度高、选择性好、体积小、响应快、抗电磁干扰(EMI)、动态范围大、信号稳定等许多优点。荧光湿度传感器的测量原理是，当不同温度的含湿气体与荧光传感膜接触后，传感膜的荧光参数(荧光强度、荧光寿命及发射波长等)发生改变，通过对荧光参数的测量实现对气体湿度的检测。因此，在湿度测量中，分子荧光探针的选择

8、、传感膜的设计和制备是荧光湿度传感器研究的核心。荧光湿敏材料通常湿敏材料按材料属性可分为电解质材料、半导体陶瓷材料和有机高分子聚合物材料。荧光湿度传感器多以荧光高分子材料为湿敏材料制成荧光传感薄膜实现对气体湿度的检测。荧光寿命型湿度传感器荧光寿命型湿度传感器是荧光湿敏材料在对水分和湿度变化的传感过程中，荧光薄膜的荧光寿命参数发生变化，以此为检测信号实现对微水和气体湿度的检测。荧光强度型湿度传感器荧光强度型湿度传感器是湿敏材料在对水分和湿度变6第9期周锋，等:荧光湿度传感器的研究进展化的传感过程中，荧光薄膜的荧光强度参数发生变化，以此为检测信号实现对微水和气体湿度的检测。将水杨酸(SA)及其钠盐

9、掺杂于聚乙烯醇(PVA)中制备成荧光湿敏传感薄膜，空气中的水分可猝灭薄膜的荧光发射，因此，薄膜在其特征波长处的荧光强度随环境湿度增加而降低。由于SA掺杂的PVA薄膜具有高耐光性使得传感薄膜的寿命增长，而且传感薄膜的可逆性和可重复性在很宽的温度范围内都可适用，它的测湿范围为5%85%RH，精度为0.2%RH。传感器薄膜的响应时间约2min，恢复时间小于1min。金兴良等人将结晶紫包埋于Nafion溶胶中，通过离子键将结晶紫与Nafion膜中的磺酸基键合，制成对环境相对湿度具有敏感响应的传感薄膜，不同的环境湿度引起传感薄膜在640nm处透光强度的改变，从而实现对环境相对湿度的检测。测湿范围为30%

10、100%RH，响应时间小于2min，灵敏度5%RH，并具有良好的选择性和可逆性(RSD2.6%)。ChoiMMF等人将罗丹明6G溶解于乙烯乙二醇水混合溶液中，利用旋涂装置制成凝胶薄膜，该薄膜在568nm处有很强的荧光发射，且发射强度随环境湿度的增加逐渐减小，在10%100%RH湿度范围内有良好的线性关系，并具有良好的重现性和光稳定性。结束语目前，国内对湿度传感器的研究多集中在电学参数湿度传感器方面，对荧光湿度传感器的研究还比较少且多集中在国外。荧光湿度传感器的研究主要可以从荧光湿敏功能材料的设计合成、薄膜的制备等方面着手。在材料方面，现阶段比较有代表性的荧光湿敏传感材料有:水杨酸、罗丹明6G、丹磺酰类、钌配合物类和Nafion碱类及共轭高分子聚合物等;在薄膜制备工艺方面，目前以旋涂法、溶胶凝胶法等为主，而静电纺丝技术和化学自组装技术将会为荧光湿度传感器的研究制备提供一个更为广阔的发展空间。基于路访问轨迹的指令高速缓存低功耗策略驱，避免其他TWP的误清除，因此，对TWP利用效率有了明显提高。332-cache相对于331-cache的提高较低，由于程序中转移指令总数较少，转移目标缓存很少有替换发生，而且转移目标缓存表项被替换后其对应的高速缓存行也被替