光致变色复合材料：构筑高性能光学传感检测器件的基石

光致变色复合材料:构筑高性能光学传

感检测器件的基石

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代科技飞速发展的时代，光学传感检测技术作为获取信息的关键手段，在众多领域发挥着

举足轻重的作用。从环境监测到生物医学诊断，从食品安全检测到工业生产过程监控，光学传

感检测技术的应用无处不在，为人类的生产生活带来了极大的便利和创新。而光致变色复合材

料作为一类特殊的功能材料，凭借其独特的光学性质，在光学传感检测领域展现出了巨大的潜

力，成为了材料科学和光学领域的研究热点。

光致变色现象是指某些材料在受到特定波长的光照射时，其分子结构会发生变化，从而导致材

料的颜色、吸收光谱、荧光特性等光学性质发生可逆性改变。这种独特的性质使得光致变色材

料能够对光信号进行感知和响应，为光学传感检测提供了新的途径和方法。光致变色复合材料

则是将光致变色物质与其他基体材料通过物理或化学方法复合而成，综合了光致变色物质的光

学活性和基体材料的优良性能，如机械强度、稳定性、加工性等，进一步拓展了光致变色材料

的应用范围和性能表现。

在环境监测领域，光致变色复合材料可用于检测空气中的有害气体、水中的重金属离子、有机

污染物等。当环境中的目标污染物与光致变色复合材料接触时，会引发材料的光致变色反应，

通过检测材料颜色或光学信号的变化，能够实现对污染物的快速、灵敏检测。在生物医学领

域，光致变色复合材料可用于生物分子的检测、细胞成像、疾病诊断等。例如，将光致变色材

料与生物识别分子相结合，可制备出具有特异性识别功能的生物传感器，用于检测特定的生物

标志物，为疾病的早期诊断和治疗提供重要依据。在食品安全检测领域，光致变色复合材料可

用于检测食品中的添加剂、农药残留、微生物污染等，保障食品安全。在工业生产过程监控

中，光致变色复合材料可用于监测温度、压力、应力等物理参数，实现对牛产过程的实时监捽

和质量控制。

光致变色复合材料在光学传感检测领域的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。从科学意

义上看，研究光致变色复合材料的光致变色机制、结构与性能关系等，有助于深入理解光与物

质的相互作用，丰富和发展材料科学和光学的基础理论。从实际应用价值来看，光致变色复合

材料在环境监测、生物医学、食品安全、工业生产等领域的应用，能够为解决实际问题提供新

的技术手段和方法，推动相关领域的发展和进步，为人类的健康和可持续发展做出贡献。

1-2研究目的与内容

本研究旨在深入探究光致变色复合材料在光学传感检测器件中的应用，通过系统研究光致变色

复合材料的特性、光学传感检测器件的工作原理与制备方法，以及实际应用案例，为光致变色

复合材料在光学传感检测领域的进一步发展和应用提供理论支持和技术参考。具体研究内容如

下：

1.光致变色复合材料的特性研究：对不同类型的光致变色复合材料，包括有机光致变色材

料、无机光致变色材料以及有机-无机杂化光致变色材料，进行系统的结构与性能表征U

运用光谱分析技术，如紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等，深入研究材料在光激发下的电

子跃迁和结构变化，明确其光致变色机制；借助热分析技术，如热重分析、差示扫描量热

分析等，探究材料的热稳定性和热致变色性能；利用显微镜技术，如扫描电子显微镜、透

射电子显微镜等，观察材料的微观结构和形貌，分析其对光致变色性能的影响。通过这些

研究，全面掌握光致变色复合材料的光学、热学、力学等性能，为后续的器件设计和应用

提供理论基础。

2.光学传感检测器件的工作原理研究：基于光致变色复合材料的特性，深入研究光学传感检

测器件的工作原理。分析光致变色复合材料与目标检测物之间的相互作用机制，如化学反

应、物理吸附等，探究其如何引发材料的光致变色反应，从而实现对目标检测物的检测。

研究光信号的转换和检测原理，包括颜色变化、吸收光谱变化、荧光强度变化等，以及如

何将这些光学信号转化为可测量的电信号或其他形式的信号输出。通过对工作原理的深入

研究，为器件的优化设计和性能提升提供理论依据。

3.光学传感检测器件的制备方法研究：探索适合光致变色复合材料的光学传感检测器件的制

备方法。研究材料的复合工艺，如溶液共混法、原位聚合法、溶胶-凝胶法等，以实现光

致变色物质与基体材料的均匀复合，提高材料的性能稳定性和重复性。研究器件的成型工

艺，如旋涂法、印刷法、光刻法等，以制备出具有特定结构和性能的光学传感检测器件，

满足不同应用场景的需求。通过对制备方法的研究，优化器件的制备工艺，提高器件的性

能和生产效率。

4.光致变色复合材料在光学传感检测器件中的应用研究将制备的光致变色复合材料应用于

不同类型的光学传感检测器件中，开展实际应用研究。在环境监测领域，研究其对空气中

有害气体、水中重金属离子、有机污染物等的检测性能，评估其检测灵敏度、选择性和稳

定性；在生物医学领域，探索其在生物分子检测、细胞成像、疾病诊断等方面的应用，研

究其生物相容性和生物活性；在食品安全检测领域，测试其对食品中的添加剂、农药残

留、微生物污染等的检测能力，分析其在实际应用中的可行性和优势c通过实际应用研

究，验证光致变色复合材料在光学传感检测器件中的应用效果，为其实际应用提供实践经

验和技术支持。

1.3研究方法与创新点

在本研究中，为深入探究光致变色复合材料在光学传感检测器件中的应用，综合运用了多种研

究方法，从理论分析到实验验证，多维度展开研究，力求全面、深入地揭示光致变色复合材料

的特性与应用潜力，同时也取得了一些具有创新性的研究成果。

1.研究方法

。文献调研：全面收集和整理国内外关于光致变色复合材料及光学传感检测器件的相关

文献资料，包括学术期刊论文、专利、研究报告等。对不同类型光致变色复合材料的

结构、性能、制备方法、光致变色机制，以及在光学传感检测领域的应用案例和研究

进展进行系统分析和总结。通过文献调研，了解该领域的研究现状和发展趋势，明确

研究的重点和难点，为后续的研究工作提供理论基础和研究思路。

。实验研究：开展一系列实验研究工作，对光致变色复合材料的特性进行深入探究。首

先，选择合适的光致变色物质和基体材料，通过溶液共混法、原位聚合法、溶胶-凝

胶法等不同的复合工艺，制备出多种类型的光致变色复合材料。然后，运用光谱分析

技术，如紫外-可见吸收光谱、荧光光谱等，对材料在光激发下的电子跃迁和结构变

化进行表征，明确其光致变色机制；利用热分析技术，如热重分析、差示扫描量热分

析等，研究材料的热稳定性和热致变色性能；借助显微镜技术，如扫描电子显微镜、

透射电子显微镜等，观察材料的微观结构和形貌，分析其对光致变色性能的影晌。此

外，还通过实验研究光学传感检测器件的工作原理和制备方法，将光致变色复合材料

应用于不同类型的光学传感检测器件中，测试其对目标检测物的检测性能，包括检测

灵敏度、选择性和稳定性等。

。理论分析：基于光化学、材料科学、物理学等相关学科的基本理论，对光致变色复合

材料的光致变色过程和光学传感检测原理进行深入分析。建立数学模型，模拟光致变

色复合材料在光激发下的分子结构变化和光学性能变化，以及与目标检测物相互作用

时的响应机制。通过理论分析，深入理解光致变色复合材料的工作原理，为实验研究

提供理论指导，同时也为器件的优化设计和性能提升提供理论依据。

1.创新点

。多维度研究光致变色复合材料：本研究从多个维度对光致变色复合材料进行研究，不

仅关注材料的光学性能，还深入研究其热学、力学等性能，以及微观结构和形貌对性

能的影响。综合运用多种分析技术和研究方法，全面揭示光致变色复合材料的特性和

光致变色机制，为其在光学传感检测领域的应用提供更全面、深入的理论支持。

拓展光致变色复合材料在光学传感检测器件中的应用领域：将光致变色复合材料应用

于多个领域的光学传感检测器件中，如环境监测、生物医学、食品安全等，探索其在

不同应用场景下的检测性能和应用潜力。通过实际应用研究，验证了光致变色复合材

料在光学传感检测领域的可行性和优势，为解决实际问题提供了新的技术手段和方

法，拓展了光致变色复合材料的应用领域。

提出新的光学传感检测方法和原理：基于光致变色复合材料的特性，提出了一些新的

光学传感检测方法和原理。例如，利用光致变色复合材料的荧光特性，开发了一种基

于荧光强度变化的光学传感检测方法，实现了对目标检测物的高灵敏度检测；探索了

光致变色复合材料与其他材料的复合协同作用，提出了一种基于复合材料协同效应的

光学传感检测原理，提高了检测的选择性和准确性。这些新的方法和原理为光学传感

检测技术的发展提供了新的思路和方向。

二、光致变色复合材料基础

2.1定义与分类

2.1.1定义

光致变色复合材料，是一类在受到光源激发后，能够发生颜色变化的特殊材料。其光致变色现

象指的是，在特定波长和强度的光作用下，材料内部的分子结构会发生改变，进而导致材料对

光的吸收峰值发生变化，直观表现为颜色的相应改变，且这种改变通常具有可逆性。当激活辐

射终止后，材料又能恢复到原来的颜色状态。人类对光致变色现象的认知已有百余年历史，

首个成功的商业应用是在2C世纪60年代，美国Corning工作室的材料学家Amistead和

Stooky发现了含卤化银（AgX）玻璃的可逆光致变色性能，并以此开发出变色眼镜。比后，

随着研究的深入，光致变色动料在众多领域展现出了巨大的应用潜力。

光致变色复合材料的光致变色过程涉及到复杂的物理和化学变化。以常见的有机光致变色材料

螺毗喃为例，在紫外光照射下，无色螺毗喃结构中的C-。键断裂开环，分子局部发生旋转并

与口引跺形成一个共平面的部花青结构，从而使材料显色，吸收光谱相应红移；而在可见光或热

的作用下，开环体又能回复到螺环结构，材料颜色褪去。这种分子结构的可逆变化，使得光致

变色复合材料能够对光信号进行感知和响应，为其在光学传感检测等领域的应用奠定了基础。

2.1.2分类

光致变色复合材料种类繁多，根据其组成成分和结构特点，主要可分为有机光致变色复合材

料、无机光致变色复合材料、聚合物光致变色复合材料以及杂化光致变色复合材料四大类，每

一类都具有独特的组成与特点。

1.有机光致变色复合材料：有机光致变色材料是光致变色材料中最早被发现的一类，品种丰

富多样，光色表现较为丰富，且具有良好的可塑性。常见的有机光致变色材料类型包括螺

哦喃类、螺恶嗪类、偶氮苯类、二芳基乙烯类、紫精类、席夫碱类等c它们的光致变色机

制主要包括分子内化学键的断裂、化学分子的顺反异构、电子相互异构等。例如，螺喷喃

类在紫外光照射下，无色螺叱喃结构中的C-0键断裂开环，分子局部发生旋转且与口引跺

形成一个共平面的部花青结构而显色，吸收光谱相应红移，在可见光或热的作用下，开环

体又能回复到螺环结构。有机光致变色复合材料通常是将有机光致变色物质与有机聚合物

基体通过物理共混或化学接枝等方法复合而成。这种复合材料既保留了有机光致变色物质

的光致变色特性，又具备有机聚合物基体的良好加工性能和柔韧性，在防伪、光信息存

储、智能窗等领域具有广泛的应用前景。

2.无机光致变色复合材料：无机光致变色材料具有出色的耐高温和抗疲劳性能。其光致变色

原理是在不同特殊波长的光照射下，材料内部各向异性中的电子产生电荷转移和跃迁，从

而在宏观上表现出颜色的转变，并且当材料受到不同波长的光照射或热量刺激时，能够恢

复到原来的形态。常见的无机光致变色材料一般可分为过渡金属氧化物、多金属氧酸盐、

金属卤化物以及稀土配合物等。以过渡金属氧化物WO?为例，其变色机理可用双电荷注

入/抽出模型解释，即在紫外光照射下，价带中电子被激发到导带中，产生电子空穴对，

随后光生电子被W(VI)捕获，生成W(V),同时光生空穴氧化薄膜内部或表面的还原物

种，生成质子H+,注入薄膜内部，与被还原的氧化物结合生成蓝色的鸨青铜HXWO30

无机光致变色复合材料通常是将无机光致变色物质与无机基体材料(如玻璃、陶瓷等)复

合，或者通过在无机材料中引入光致变色离子或化合物来制备。这种复合材料具有良好的

化学稳定性和机械性能，在建筑玻璃、光学器件、传感器等领域有着重要的应用。

3.聚合物光致变色复合材料：聚合物光致变色复合材料是以聚合物为基体，通过物理掺杂或

化学合成的方法将光致变色物质引入聚合物体系中而形成的。聚合物基体可以为光致变色

物质提供良好的分散环境和稳定的支撑结构，同时还能赋予复合材料一些特殊的性能，如

柔韧性、可加工性等。根据聚合物基体的不同，聚合物光致变色复合材料可分为热塑性聚

合物光致变色复合材料和热固性聚合物光致变色复合材料。热塑性聚合物光致变色复合材

料具有良好的可塑性和加工性能，可以通过注塑、挤出等方法制成各种形状的制品；热固

性聚合物光致变色复合材料则具有较高的强度和稳定性，常用于制备高性能的光学器件和

涂层材料。聚合物光致变色复合材料在智能包装、生物医学、显示技术等领域展现出了独

特的应用价值0

4.杂化光致变色复合材料：杂化光致变色复合材料是由有机化合物与无机矿物元素通过杂化

方式获得的，它兼具了有机光致变色材料良好的改性效果和无机光致变色材料的稳固性。

这种复合材料借助配体配位形成人的分子框架，其性能由原始组成决定。有机-无机杂化

光致变色复合材料的可控机制包括电子氧化还原转移、插层空间框架、光致变色分子或分

子内TT电子物理性质的变化等。例如，通过将有机光致变色分子与无机纳米粒子复合，可

以利用无机纳米粒子的特殊性能(如高比表面积、量子尺寸效应等)来增强光致变色分子

的性能，同时还能改善复合材料的稳定性和加工性能。杂化光致变色复合材料在多个领域

都具有潜在的应用前景，如光学传感器、光电器件、信息存储等，是目前光致变色材料研

究的热点之一。

2.2工作原理

2.2.1分子层面原理

光致变色复合材料的光致变色现象从分子层面来看，主要涉及分子结构变化和电子跃迁等过

程。不同类型的光致变色材料，其分子层面的变色原理存在差异。

有机光致变色材料的变色通常伴随着分子内的光化学反应，导致分子结构的改变。以常见的螺

毗喃类光致变色材料为例，在紫外光照射下，无色的螺毗喃分子结构中的C-0键发生断裂开

环，分子局部发生旋转并与「引口朵形成一个共平面的部花青结构，从而使材料显色。在这个过

程中，分子的共辗体系发生了变化，电子云分布也随之改变，导致材料对光的吸收特性发生变

化，从而呈现出颜色的变化。而在可见光或热的作用下，开环体又能回复到螺环结构，颜色褪

去。这种分子结构的可逆变化使得螺喷喃类光致变色材料能够实现光致变色的可逆循环。

偶氮苯类光致变色材料则是基于分子中偶氮基-N=N-的顺-反异构反应。在光照下，偶氮苯

分子的偶氮基发生顺-反异构化，顺式异构体和反式异构体具有不同的吸收光谱，从而导致材

料颜色的变化。偶氮苯类材料还具有明显的光偏振效应，即光致变色效果与光的偏振态有关，

这是由于偶氮苯分子在不同偏振光的作用下，其顺-反异构化的程度和方向不同所导致的。

无机光致变色材料的变色原理与有机材料有所不同，通常涉及电子的电荷转移和跃迁。以过渡

金属氧化物WO3为例，其变色机理可用双电荷注入/抽出模型解释。在紫外光照射下，

WO3价带中的电子被激发到导带中，产生电子空穴对。随后，光生电子被W(VI)捕获，生成

W(V),同时光生空穴氧化薄膜内部或表面的还原物种，生成质子H+,注入薄膜内部，与被

还原的氧化物结合生成蓝色的铛青铜HXW03o该蓝色是由于W(V)价带中电子向W(VI)导

带跃迁的结果。这种电子的转移和跃迁过程导致了材料光学性质的改变，从而实现光致变色。

另一种无机光致变色材料卤化银(AgX)的变色原理是基于光激发下的氧化还原反应。在光照

下，卤化银中的卤离子(X-)被激发产生电子，电子被银离子(Ag+)捕获，生成银原子

(Ag),从而使材料颜色变深。当光照停止后，在热或其他条件的作用下，银原子又会重新

被氧化成银离子，材料颜色恢复原状。

有机-无机杂化光致变色复合材料的光致变色原理则更为复杂，既包含有机部分的光化学反

应，又涉及无机部分的电子转移和相互作用。例如，将有机光致变色分子与无机纳米粒子复

合，有机分子的光化学反应可以引发分子结构的变化，而无机纳米粒子的特殊性能(如高比表

面积、量子尺寸效应等)可以影响电子的转移和能量传操过程，从而增强或改变材料的光致变

色性能。此外，有机-无机之间的界面相互作用也会对光致变色过程产生影响，通过合理设

计有机-无机的组成和结构，可以实现对光致变色性能的调控。

2.2.2影响因素

光致变色复合材料的光致变色性能受到多种因素的影响，这些因素包括光源、温度、湿度、材

料结构以及掺杂剂等，它们相互作用，共同决定了材料的光致变色行为。

光源是影响光致变色性能的关键因素之一。不同波长和强度的光对光致变色材料的激发效果不

同，从而导致材料呈现出不同的光致变色特性。一般来说，光致变色材料对特定波长的光具有

最佳的吸收和响应，例如，有机光致变色材料螺毗喃通常在紫外光的照射下发生变色反应，而

在可见光范围内则相对稳定。光的强度也会影响光致变色的速度和程度，较强的光照通常会

使材料更快地达到变色平衡，并且变色程度更明显。不同光源的光谱分布也会对光致变色性能

产生影响，例如，太阳光中包含了丰富的紫外光和可见光成分，与单一波长的人工光源相比，

太阳光照射下的光致变色材料可能会表现出更为复杂的光致变色行为。

温度对光致变色复合材料的性能也有显著影响。一方面，温度的变化会影响光致变色反应的速

率。对于大多数光致变色材料，温度升高会加快光致变色反应的速度，使材料更快地达到变色

平衡。另一方面，温度还可能影响光致变色材料的稳定性和可逆性。在高温下，一些光致变

色材料可能会发生不可逆的化学反应，导致材料的光致变色性能下降甚至丧失。例如，某些有

机光致变色材料在高温下可能会发生热分解或氧化反应，从而影响其分子结构和光致变色性

能。此外，温度还可能影响材料的微观结构和分子间相互作用，进而对光致变色性能产生间接

影响。

湿度是另一个重要的影响因素，尤其对于一些对水分敏感的光致变色材料。湿度的变化可能会

影响材料的光学性质和光致变色反应的进行。在高湿度环境下，水分可能会吸附在材料表面或

进入材料内部，导致材料的折射率发生变化，从而影响光的传播和吸收。水分还可能参与光

致变色反应，与光致变色分子发生相互作用，改变其分子结构和电子云分布，进而影响光致变

色性能。例如，对于一些含有亲水性基团的有机光致变色材料，在高湿度环境下，水分可能会

与亲水性基团形成氢键，影响分子的构象和光致变色反应的动力学过程。

材料的结构对光致变色性能起着决定性作用。材料的分子结构、晶体结构、微观形貌等都会影

响光致变色过程中的电子跃迁、能量传递和化学反应。不同的分子结构具有不同的光致变色机

理和性能特点。例如，螺毗喃类和偶氮苯类有机光致变色材料，由于其分子结构的差异，导致

它们的光致变色反应方式、吸收光谱和变色速度等都有所不同。材料的晶体结构也会影响光

致变色性能，晶体的晶格常数、晶胞结构以及晶体缺陷等都会对电子的运动和光的吸收产生影

响。材料的微观形貌，如颗粒大小、形状和分布等，也会影响光的散射和吸收，进而影响光致

变色性能。较小的颗粒尺寸通常会增加材料的比表面积，提高光的吸收效率，从而增强光致变

色性能。

掺杂剂的引入可以显著改变光致变色复合材料的性能。通过向光致变色材料中添加适当的掺杂

剂，可以调节材料的电子结沟、光学性质和化学反应活性，从而实现对光致变色性能的调控。

例如，在无机光致变色材料W03中，掺杂适量的稀土元素（如Er3+、Yb3+等）可以引入新

的能级，改变电子的跃迁路径，从而提高材料的光致变色效率和稳定性。掺杂剂还可以影响

材料的电学性能、热稳定性和化学稳定性等，进一步优化光致变色复合材料的综合性能。不同

的掺杂剂种类和浓度对光致变色性能的影响也不同，需要通过实验和理论计算来确定最佳的掺

杂方案o

2.3制备方法

2.3.1水热法

水热法是一种在高温高压的水溶液中进行化学反应的材料制备方法。以制备水性光致变色复合

涂层材料为例，其原理是利用高温高压的水溶液环境，促进反应物之间的化学反应，使光致变

色物质在溶液中结晶生长，从而形成具有特定结构和性能的光致变色复合材料。

在制备水性光致变色复合涂层材料时，水热法的具体步骤如下：首先，将鸨酸钠二水合物和硝

酸苗六水合物作为主原料，加入去离子水中，再加入盐酸调节溶液的pH值，然后加入硫酸钾

充分搅拌，得到Er掺杂鸨酸溶液。这里，盐酸的作用是调节溶液的酸碱度，以满足后续反应

的条件需求；硫酸钾则作为反应助剂，可能参与反应过程，影响产物的结构和性能。接着，将

Er•掺杂鸨酸溶液转移至反应釜中，进行恒温水热反应。在这个过程中，高温高压的环境促使

溶液中的离子和分子发生化学反应，逐渐形成目标产物。反应结束后，对得到的样品依次进行

洗涤、冷冻干燥、研磨等后处理步骤，最终得到Er-WO?粉体。洗涤的目的是去除样品表面

残留的杂质和未反应的物质；冷冻干燥能够在低温下除去样品中的水分，避免高温对样品结构

和性能的影响；研磨则是为了将样品粉碎成合适的粒度，以便后续的应用。

水热法制备水性光致变色复合涂层材料具有诸多优势。一方面，水热反应在高温高压的水溶液

中进行，能够使反应物充分溶解和均匀混合，有利于形成结晶良好、纯度高的光致变色材料。

与其他制备方法相比，水热法制备的材料结晶度更高，晶体结构更加完整，从而提高了材料的

光致变色性能和稳定性。另一方面，水热法可以精确控制反应条件，如温度、压力、反应时

间等，通过调整这些参数，可以对材料的微观结构和性能进行有效的调控。例如，通过改变水

热反应的温度和时间，可以控制Er-WO3粉体的粒径大小和晶体形貌，进而影响材料的光吸

收和光致变色特性。水热法还具有操作相对简单、成本较低等优点，适合大规模制备水性光

致变色复合涂层材料，为其在实际应用中的推广提供了有利条件。

2.3.2共混法

共混法是制备可逆光致变色聚丙烯复合材料的一种常用方法。其过程是将聚丙烯树脂、低密度

聚乙烯、成核剂、光致变色粉体、光扩散剂和抗氧剂等按照一定的比例，在高速混料机中搅拌

均匀，然后通过双螺杆挤出机进行造粒，最终得到具有光致变色性能的聚丙烯复合材料。

在这个过程中，各成分发挥着不同的作用。聚丙烯树脂作为基体材料，为复合材料提供了基本

的力学性能和加工性能。低密度聚乙烯的加入可以改善复合材料的柔韧性和加工流动性，使其

更容易成型。成核剂能够促进聚丙烯结晶，细化晶粒，提高材料的结晶度和力学性能，同时

也有助于提高光致变色粉体在聚丙烯体系内的分散性，使材料能够更好地接受光照激发。光

致变色粉体是实现材料光致变色性能的关键成分，在本案例中，光致变色粉体是通过用HCI

溶液将鸨酸钠溶液调节至PH值为1.5,然后将混合液放入反应釜在120℃条件下水热反应48

小时后，分别用蒸储水和乙醇洗涤分离，在60℃环境中干燥2h制备得到的稳定光致变色性

能的W03粉末。光扩散剂的作用是使光线在材料内部均匀散射，提高材料的透光率和光致

变色效果的均匀性。抗氧剂则用于防止材料在加工和使用过程中因氧化而降解.延长材料的使

用寿命O

这种通过共混法制备的可逆光致变色聚丙烯复合材料在多个领域具有广泛的应用。在玩具领

域，其独特的光致变色性能可以为玩具增添趣味性和互动性，吸引消费者的关注。在汽车领

域，可用于制作汽车内饰或外观部件，根据光照强度的变化而改变颜色，不仅可以起到装饰作

用，还能警示驾驶员注意光照条件的变化，提高驾驶安全性。在户外材料领域，该复合材料

能够适应不同的光照环境，其颜色变化可以作为一种视觉提示，告知人们光照强度的变化，提

醒人们加强紫外防护，避免皮肤受到伤害。通过肉眼观察材料的颜色变化等级，就能够辨别

室外光照强度，这一特性使得该材料在这些领域具有较大的应用潜力，满足了人们对材料个性

化、功能性的需求。

2.3.3其他方法

除了水热法和共混法，溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等也是制备光致变色复合材料的重要方

法。

溶胶•凝胶法是一种湿化学合成方法，通常以金属醇盐或无机盐为前驱体，在溶剂中通过水解

和缩聚反应形成溶胶，然后经过陈化、干燥等过程转变为凝胶，最终通过热处理得到所需的材

料。在制备光致变色复合材料时，该方法可以在分子水平上实现光致变色物质与基体材料的

均匀混合，从而获得性能优异的复合材料。例如，在制备有机-无机杂化光致变色复合材料

时，可以将有机光致变色分子引入到无机溶胶中，通过溶胶-凝胶过程，使有机分子与无机网

络紧密结合，形成具有独特性能的复合材料。溶胶-凝胶法具有反应条件温和、易于控制、

能够制备出高纯度和均匀性的材料等优点，但也存在制备周期长、成本较高等缺点。

化学气相沉积法是利用气态的化学物质在高温、等离子体等条件下发生化学反应，在基体表面

沉积形成固态薄膜或涂层的方法。该方法可以精确控制材料的组成和结构，能够制备出具有

复杂结构和特殊性能的光致变色复合材料。例如，在制备无机光致变色薄膜时，可以通过化学

气相沉积法在玻璃、金属等基体表面沉积过渡金属氧化物薄膜，通过控制沉积条件，如气体流

量、温度、压力等，可以调节薄膜的厚度、晶体结构和光致变色性能。化学气相沉积法具有

沉积速率快、可制备大面积薄膜、能够在不同形状的基体上沉积等优点，但设备昂贵，工艺复

杂，对环境要求较高。

三、光学传感检测器件原理

3.1基本原理

光学传感检测器件的基本原理是基于光与物质的相互作用，将光信号转换为电信号进行检测。

在光致变色复合材料用于光学传感检测器件的体系中，这一过程涉及到光致变色复合材料对光

信号的感知、与目标检测物的相互作用以及光信号到电信号的转换等多个关键环节。

当光照射到光致变色复合材料时，材料会吸收特定波长的光能量，引发分子结构的变化，从而

导致其光学性质发生改变，如颜色、吸收光谱、荧光特性等。这种光致变色现象是光致变色

复合材料用于光学传感检测的基础。以基于光致变色材料的荧光传感器为例，在未检测到目标

物时，光致变色材料处于一种稳定的状态，其荧光强度较低；当目标检测物与光致变色材料发

生特异性相互作用后，会引发光致变色材料的分子结构变化，从而改变其荧光特性，使荧光强

度增强或减弱。通过检测这种荧光强度的变化，就可以实现对目标检测物的定性或定量分

析。

在实际的光学传感检测器件中，光信号的转换和检测原理主要包括以下几种方式：一是基于颜

色变化的检测，通过肉眼观察或使用颜色传感器测量光致变色复合材料的颜色变化，来判断目

标检测物的存在或浓度变化。例如，在一些用于检测酸碱度的光学传感检测器件中，光致变

色复合材料会根据溶液的酸碱度变化而呈现出不同的颜色，从而实现对酸碱度的快速检测。二

是基于吸收光谱变化的检测，利用光谱仪等设备测量光致变色复合材料在光致变色过程中的吸

收光谱变化，通过分析吸收峰的位置、强度等参数，来获取目标检测物的信息。例如，在检

测有机污染物时，光致变色复合材料与有机污染物相互作用后，其吸收光谱会发生特征性的变

化，通过对这些变化的分析，可以确定有机污染物的种类和浓度。三是基于荧光强度变化的检

测，使用荧光光谱仪等设备测量光致变色复合材料的荧光强度变化，根据荧光强度与目标检测

物浓度之间的定量关系，实现对目标检测物的精确检测。这种基于荧光强度变化的检测方法

具有灵敏度高、选择性好等优点，在生物医学检测、环境监测等领域得到了广泛应用。

为了将光信号转换为电信号，光学传感检测器件通常会配备光电转换元件，如光电二极管、光

电三极管等。这些光电转换元件能够将光信号转换为与之成正比的电信号，如电流或电压信

号。在基于光致变色复合材料的荧光传感器中，当光致变色材料受到激发产生荧光时，荧光照

射到光电二极管上，光电二极管会产生光生电流，通过测量光生电流的大小，就可以间接检测

到荧光强度的变化，从而实现对目标检测物的检测。检测电路会对光电转换元件输出的电信

号进行放大、滤波、模数转换等处理，将其转换为适合后续分析和处理的数字信号。这些数

字信号可以通过微处理器、计算机等设备进行进一步的分析和处理，最终实现对目标检测物的

定性、定量分析以及相关信息的显示和记录。

3.2关键元件

在光学传感检测器件中，发光元件、感光元件及信号处理元件起着关键作用，它们协同工作，

确保了器件能够准确、高效地实现对光信号的检测和处理。

发光元件在光学传感检测器件中主要用于提供激发光，其性能直接影响到光致变色复合材料的

光致变色效果以及整个检测系统的灵敏度。常见的发光元件如发光二极管（LED）,具有体积

小、能耗低、寿命长、响应速度快等优点。在基于光致变色复合材料的荧光传感器中，LED

发出特定波长的光，用于激发光致变色材料，使其产生荧光信号。不同类型的光致变色复合材

料对激发光的波长和强度有不同的要求，因此需要根据具体的应用场景选择合适的发光元件。

例如，对于一些对紫外光敏感的光致变色材料，需要选择能够发射紫外光的LED;而对于一

些需要高能量激发的光致变色材料，则需要选择发光强度较高的LED。

感光元件是光学传感检测器件中用于接收光信号并将其转换为电信号的关键部件。常见的感光

元件如电荷耦合器件（CCD）摄像头和互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器它们

在图像采集、光信号检测等方面有着广泛的应用。CCD摄像头具有高灵敏度、高分辨率、低

噪声等优点，能够精确地捕捉光信号的变化。在基于光致变色复合材料的光学传感检测中，

CCD摄像头可以用于检测光致变色材料的颜色变化、荧光强度变化等，通过对这些光信号的

采集和分析，实现对目标检测物的检测。CMOS图像传感器则具有成本低、功耗小、集成度

高、数据读取速度快等优点，在一些对成本和功耗要求较高的应用场景中具有优势。它可以将

光信号转换为电信号，并通过内部的电路进行信号处理和数字化转换，输出数字信号供后续的

信号处理元件进行分析和处理。

信号处理元件在光学传感检测器件中承担着对感光元件输出的电信号进行放大、滤波、模数转

换、数据分析和处理等重要任务。它能够将微弱的电信号进行放大，提高信号的强度，以便

后续的处理和分析；通过滤波处理，可以去除信号中的噪声和干扰，提高信号的质量；模数转

换则将模拟信号转换为数字信号，便于计算机或其他数字设备进行处理。信号处理元件还可以

对数字信号进行数据分析和处理，根据预设的算法和模型，实现对目标检测物的定性、定量分

析，以及相关信息的显示和记录。微处理器、数字信号处理器（DSP）等都是常见的信号处

理元件。微处理器具有强大的计算和控制能力，可以对信号进行复杂的运算和处理，实现对检

测过程的自动化控制；DSP则专门用于数字信号处理，具有高速、高效的特点，能够快速地

对大量的数字信号进行处理，提高检测的速度和精度。

3.3分类及特点

光学传感检测器件根据其工作原理和应用场景的不同，可分为多种类型，每种类型都具有独特

的特点和适用范围。常见的光学传感检测器件包括光学图像传感器、透射型光学传感器、反射

型光学传感器、荧光型光学传感器等。

光学图像传感器是类将光学图像转换为电信号的重要器件，广泛应用于摄影、监控、医疗成

像、工业检测、机器人视觉等众多领域。其工作原理基于光电效应，当光线照射到图像传感

器的光敏元件上时，光敏元件会吸收光子并释放出电子，这些电子随后被收集并转换成电信

号，再经过处理形成数字图像。目前，光学图像传感器主要分为电荷耦合器件（CCD）和互

补金属氧化物半导体（CMOS）两种类型。CCD传感器以其高图像质量和低噪声而闻名，它

由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位，当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位

会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画

面。然而，CCD传感器也存在成本较高、功耗较大等缺点。CMOS传感器则具有成本低、功

耗小、集成度高、数据读取速度快等优点，在每个像素上都集成了将电荷转化为电子信号的放

大器，能够实现更快的信号读取和更低的能耗。虽然在相同分辨率下，CMOS传感器产生的

图像质量可能稍逊于CCD,但随着技术的不断进步，其图像质量也在不断提高，并且通过采

用背面照射技术、微透镜和色彩滤镜等改进措施，CMOS传感器在感光度、光线接收和转换

等方面都得到了显著提升。在消费级数码相机和手机摄像头领域，CMOS传感器已成为主流

选择，并且随着其性能的不断提升，正逐渐渗透到一些高端领域，如专业摄影、天文观测

等。

透射型光学传感器是利用光的透射特性来检测目标物的一类传感器。在这种传感器中，发光元

件和受光元件相对放置，当光线穿过目标物后，受光元件接收透射光的强度、波长等特性会发

生变化，通过检测这些变化来获取目标物的相关信息。透射型光学传感器适用于对透明或半

透明物体的检测，如在水质检测中，可通过检测光线透过水样后的变化来分析水中的杂质、溶

解物等成分；在材料检测中，可用于检测透明薄膜的厚度、均匀性等参数。其优点是检测原

理简单，响应速度快，能够实现对目标物的实时检测；缺点是对目标物的透明度和均匀性要求

较高，当目标物不透明或存在较大的不均匀性时，检测效果会受到影响。

反射型光学传感器则是基于光的反射原理工作。发光元件发出的光照射到目标物上，然后反射

回来被受光元件接收，通过分析反射光的强度、角度、光谱等信息来检测目标物的存在、位

置、形状、表面性质等。反射型光学传感器在工业自动化生产线上有着广泛的应用，例如用

于检测物体的位置、计数、识别物体表面的缺陷等。在物流行业中，可用于检测货物的位置

和形状，实现自动化分拣和搬运；在汽车制造中，可用于检测汽车零部件的表面质量和尺寸精

度。与透射型光学传感器相比，反射型光学传感器对目标物的透明度没有要求，适用于各种

类型的物体检测，但检测精度可能会受到目标物表面反射特性的影响，如表面的粗糙度、颜色

等都会导致反射光的变化，从而影响检测结果。

荧光型光学传感器是利用某些物质在特定波长光的激发下会发射出荧光的特性来进行检测的。

当目标检测物与荧光物质发生相互作用时，会导致荧光物质的荧光强度、波长、寿命等荧光特

性发生改变，通过检测这些荧光特性的变化来实现对目标检测物的定性或定量分析。荧光型

光学传感器具有灵敏度高、选择性好等优点，在生物医学检测、环境监测、食品安全检测等领

域有着重要的应用。在生物医学检测中，可用于检测生物分子、细胞、病原体等，通过标记

荧光探针，能够实现对特定生物标志物的高灵敏度检测，为疾病的早期诊断提供重要依据；在

环境监测中，可用于检测水中的有机污染物、重金属离子等，通过荧光强度的变化来判断污染

物的浓度。然而，荧光型光学传感器的应用也受到一些限制，如荧光物质的稳定性、光漂白

现象以及检测设备的复杂性等，都可能影响检测结果的准确性和可靠性。

四、光致变色复合材料在光学传感检测器件中的应用优势

4.1高灵敏度检测

光致变色复合材料在光学传感检测器件中展现出了卓越的高灵敏度检测能力，能够对极微量的

目标物进行有效检测，这一优势使其在众多领域具有重要的应用价值。以检测汞离子浓度的光

致变色传感器为例，研究人员研制并鉴定了一种新型的高灵敏度、高选择性的汞离子

(HgA{2+})探针，即罗丹明酰肿与带有竣酸官能团结构的二芳基乙烯相结合形成的探针

10。

二芳基乙烯作为光致变色材料之一，使得探针1。除了具有罗丹明结构性能外，还具备光致变

色性能，在紫外光和白光的交替照射下能发生可逆现象。这种独特的性质为检测汞离子提供了

新的途径。在对汞离子的检测过程中，探针10表现出了高效的选择性和灵敏性。当环境中存

在未离子时，探针1。能够与未离子特异性结合，引发分子结构的变化，进而导致材料光学性

质的改变。通过检测这种光学性质的变化，如吸收光谱或荧光光谱的变化，就可以实现对汞离

子的高灵敏度检测。

与传统的汞离子检测方法相比，基于光致变色复合材料的传感器具有明显的优势°传统的原子

吸收光谱法虽然能够对汞离子进行高灵敏度检测，但其操作复杂、成本高、设备昂贵且检测时

间长，并不适合汞离子的现场检测。而基于光致变色复合材料的传感器则具有操作简单、响应

快速、成本较低等优点，能够满足现场快速检测的需求。在实际环境水样中的汞离子检测实验

中，该传感器1。能够准确地定量定性检测汞离子的含量，展现出了良好的实用性和可靠性.

其对汞离子的检测限可达到极低的水平，能够检测到极微量的汞离子，充分体现了光致变色复

合材料在高灵敏度检测方面的优势。这种高灵敏度检测能力使得光致变色复合材料在环境监

测、食品安全检测等领域具有广阔的应用前景，能够为保障生态环境和人类健康提供有力的技

术支持。

4.2选择性识别

光致变色复合材料在光学传感检测器件中展现出了出色的选择性识别能力，这一特性使其能够

在复杂的环境中准确地检测出特定的目标物，为实际应用提供了有力的支持。以检测特定生物

分子的光致变色生物传感器为例，其选择性识别能力主要源于生物识别分子与目标生物分子之

间的特异性相互作用。

在设计用于检测特定生物分子的光致变色生物传感器时，通常会将具有特异性识别能力的生物

分子，如抗体、核酸适配体、酶等，与光致变色材料相结合。抗体是一种高度特异性的蛋白

质，能够与特定的抗原分子发生特异性结合。在光致变色生物传感器中，将针对目标生物分子

的抗体固定在光致变色材料表面，当样品中存在目标生物分子时，抗体与目标生物分子特异性

结合，这种结合会引发光致变色材料周围微环境的变化，进而导致光致变色材料的光学性质发

生改变，通过检测这种光学性质的变化，就可以实现对目标生物分子的特异性检测。核酸适

配体是通过指数富集的配体系统进化技术（SELEX）筛选得到的一段单链DNA或RNA序

列，它能够与特定的靶标分子，如蛋白质、小分子、金属离子等，发生特异性结合，且具有高

亲和力和高特异性。将核酸适配体与光致变色材料结合，构建光致变色生物传感器，当目标生

物分子与核酸适配体特异性结合时，会引起光致变色材料的光致变色特性改变，从而实现对目

标生物分子的选择性识别和检测。

这种基于光致变色复合材料的生物传感器在生物医学检测领域具有重要的应用价值。在疾病诊

断中，许多疾病的发生和发展与特定生物标志物的表达水平变化密切相关。通过设计针对这些

生物标志物的光致变色生物传感器，可以实现对疾病的早期诊断和病情监测。在癌症诊断

中，一些肿瘤标志物，如癌胚抗原（CEA）、甲胎蛋白（AFP）等，在肿瘤患者体内的含量会

显著升高。利用光致变色生物传感器对这些肿瘤标志物进行检测，能够快速、准确地判断患者

是否患有癌症以及癌症的发展阶段，为临床治疗提供重要的参考依据。在传染病检测中，光

致变色生物传感器也能够发挥重要作用。例如，对于新冠病毒的检测，可以设计一种基于光致

变色复合材料的生物传感器，将针对新冠病毒的特异性抗体或核酸适配体与光致变色材料结

合，当样品中存在新冠病毒时，传感器会发生光致变色反应，从而实现对新冠病毒的快速检

测，为疫情防控提供有力的技术支持。与传统的生物分子检测方法相比，基于光致变色复合

材料的生物传感器具有操作筒单、响应速度快、无需复杂仪器设备等优点，能够实现现场快速

检测，具有广阔的应用前景。

4.3实时监测

光致变色复合材料在用于环境监测的光学传感检测器件中,具备实时监测环境变化的卓越能

力，这一优势使其在环境保护和生态监测等领域发挥着重要作用。其实时监测的原理基于光致

变色复合材料与环境中目标污染物之间的特异性相互作生。当环境中的目标污染物，如有害气

体、重金属离子、有机污染物等，与光致变色复合材料接触时，会引发复合材料的光致变色反

应O

以检测空气中有害气体的光致变色传感器为例，当传感器中的光致变色复合材料与有害气体分

子发生反应时，会导致材料内部的分子结构发生变化，进而引起其光学性质的改变，如颜色、

吸收光谱或荧光特性的变化。通过实时监测这些光学性质的变化，就可以及时获取环境中有

害气体的浓度、种类等信息，实现对空气质量的实时监测。在检测二氧化硫(S0_2)气体

时，杲些光致变色复合材料中的活性基团会与SO_2发生化学反应，使材料的颜色发生变

化，通过颜色传感器实时检测颜色的变化程度，就可以定量地确定空气中S0_2的浓度。

在水质监测方面，光致变色复合材料也能发挥重要作用。对于水中的重金属离子检测，一些对

重金属离子具有特异性识别能力的光致变色复合材料，当与水中的重金属离子(如汞离子、铅

离子等)结合时，会引发光致变色反应，导致材料的荧光强度或吸收光谱发生变化。通过荧

光光谱仪或紫外-可见分光光度计等设备实时监测这些变化，就可以实现对水中重金属离子浓

度的实时监测，及时发现水质污染情况。

实时监测环境变化的光致变色传感器具有诸多优势。它能够实现对环境参数的实时、连续监

测，及时发现环境中的异常变化，为环境保护和生态治理提供及时的数据支持。与传统的环

境监测方法相比，光致变色传感器具有响应速度快、操作简单、成本较低等优点，不需要复杂

的样品前处理和大型检测设备，能够在现场快速地对环境进行检测。光致变色传感器还可以

与无线通信技术相结合，实现数据的远程传输和实时共享，便于环境监测部门对环境状况进行

实时监控和管理。在一些偏远地区或难以到达的环境监测点，通过无线传输的光致变色传感

器可以将监测数据实时传输到监测中心，大大提高了环境监测的效率和覆盖面O

4.4多功能集成

光致变色复合材料与其他功能材料集成，为实现多功能传感提供了广阔的可能性，这种集成策

略能够充分发挥不同材料的优势，拓展光学传感检测器件的应用范围和性能。

将光致变色复合材料与纳米材料集成是一种常见的策略。纳米材料具有独特的物理和化学性

质，如高比表面积、量子尺寸效应、良好的导电性和催化活性等，与光致变色复合材料结合

后，能够显著改善其性能。将金纳米粒子与光致变色材料复合，金纳米粒子的表面等离子体

共振效应可以增强光致变色材料对光的吸收和散射，提高光致变色效率和灵敏度。纳米材料

还可以作为载体，将光致变色物质均匀分散在其中，提高材料的稳定性和重复性。在制备基于

光致变色复合材料的荧光传感器时，利用纳米二氧化硅作为载体，将光致变色荧光分子负载在

其表面，不仅提高了荧光分子的稳定性，还增加了传感器与目标检测物的接触面积，从而提高

了检测灵敏度。

与智能材料的集成也是实现多功能传感的重要方向。智能材料能够对外界环境的变化做出响

应，如形状记忆材料、压电材料、电致变色材料等。将光致变色复合材料与形状记忆材料集

成，可以制备出具有形状记忆和光致变色双重功能的复合材料。在受到光照射时，材料发生

光致变色反应，同时在温度等外界刺激下，材料能够恢复到原来的形状，这种复合材料可应用

于智能包装、防伪标签等领域。将光致变色复合材料与压电材料集成，压电材料在受到压力

作用时会产生电荷，而光致变色复合材料可以对光信号做出响应，两者结合后，能够实现对压

力和光信号的同时检测，可用于压力-光双参量传感器的制备。

在生物医学领域，将光致变色复合材料与生物材料集成，可制备出具有生物兼容性和生物活性

的多功能传感材料。将光致变色材料与生物可降解聚合物复合，制备出用于生物医学检测的

传感器，该传感器不仅能够对生物分子进行检测，还具有生物可降解性，在完成检测任务后能

够在生物体内自然降解，减少对生物体的伤害。将光致变色材料与纳米抗体结合，利用纳米

抗体对特定抗原的高特异性识别能力，结合光致变色材料的光学信号变化，可实现对生物标志

物的高灵敏度、高选择性检测，为疾病的早期诊断提供有力工具。

在环境监测领域，光致变色复合材料与其他功能材料的集成也具有重要应用。将光致变色复合

材料与气敏材料集成，制备出能够同时检测多种环境参数的多功能传感器。在检测空气中有害

气体时，气敏材料对有害气体具有选择性吸附和反应的特性，而光致变色复合材料可以通过颜

色变化直观地指示有害气体的存在和浓度变化，两者结合能够实现对有害气体的快速、准确检

测。将光致变色复合材料与温敏材料集成，可制备出对温度和光信号都敏感的复合材料，用

于环境温度和光照强度的同时监测，为环境研究提供更全面的数据。

五、基于光致变色复合材料的光学传感检测器件制备与实例分析

5.1器件设计与制备流程

5.1.1基于光致变色复合材料的光纤传感器设计思路

基于光致变色复合材料的光纤传感器的设计，旨在充分利用光致变色复合材料的独特光学性

质，实现对特定目标物的高灵敏度、高选择性检测。其核心设计思路是将光致变色复合材料与

光纤相结合，通过光纤传输光信号，激发光致变色复合材料发生光致变色反应，然后根据材料

的光致变色特性变化来检测目标物的存在或浓度变化。

在设计过程中，需要考虑多个关键因素。首先是光致变色复合材料的选择，不同类型的光致变

色复合材料具有不同的光致变色特性和适用范围，需要根据具体的检测目标和应用场景进行合

理选择。对于检测生物分子的光纤传感器，可选择对生物分子具有特异性识别能力的有机光致

变色材料，如将具有生物识别功能的分子与螺毗喃类光致变色材料相结合，使其能够特异性地

与目标生物分子发生相互作用，从而引发光致变色反应。

其次是光纤的选型，光纤的类型和结构会影响光信号的传输效率和传感器的性能。常用的光纤

有单模光纤和多模光纤，单模光纤适用于长距离、高速率的光信号传输，能够保证光信号的稳

定性和准确性；多模光纤则具有较大的芯径，能够传输更多的光功率，适用于一些对光功率要

求较高的应用场景。在基于光致变色复合材料的光纤传感器中，通常会选择合适的光纤结

构，如在光纤表面制备微结构，增加光与光致变色复合材料的相互作用面积，提高传感器的灵

敏度。

还需要考虑光致变色复合材料与光纤的结合方式。常见的结合方式有涂覆法、掺杂法、包埋法

等。涂覆法是将光致变色复合材料溶液均匀地涂覆在光纤表面，形成一层光致变色涂层；掺杂

法是将光致变色物质直接掺杂到光纤材料中，使其均匀分布在光纤内部；包埋法是将光致变色

复合材料包裹在光纤的特定部位，如在光纤的微槽中填充光致变色复合材料。不同的结合方

式会对传感器的性能产生不同的影响，需要根据实际情况进行选择。例如，涂覆法操作简单，

但涂层的稳定性可能较差；掺杂法能够使光致变色物质与光纤材料紧密结合，稳定性较好，但

制备过程相对复杂。

5.1.2制备步骤

以制备基于光致变色复合材料的光纤传感器为例，其具体制备步骤如下：

1.光纤预处理：首先，选择合适的光纤，如单模光纤或多模光纤。对光纤进行清洁处理，去

除表面的杂质和污染物，以保证光致变色复合材料能够与光纤表面良好结合。可以使用丙

酮、乙醇等有机溶剂对光纤进行擦拭，然后用去离子水冲洗干净，最后在氮气环境中吹

干。接着，对光纤表面进行活化处理，增加其表面的活性基团，提高与光致变色复合材料

的结合力。可以采用等离子体处理、化学腐蚀等方法对光纤表面进行活化。例如，通过等

离子体处理，在光纤表面引入羟基、竣基等活性基团，使光纤表面变得粗糙，增加与光致

变色复合材料的接触面积。

2.光致变色复合材料制备：根据检测目标和设计要求，选择合适的光致变色材料和基体材

料，通过相应的制备方法制备光致变色复合材料。若选择有机光致变色材料螺毗喃与聚合

物基体复合，可采用溶液共混法c将螺吐喃溶解在适当的有机溶剂中，如氯仿、甲苯等，

然后加入聚合物基体，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),在一定温度下搅拌均匀，使螺毗

喃均匀分散在聚合物溶液中。通过溶液浇铸或旋涂等方法，将混合溶液制成薄膜或涂层，

得到光致变色复合材料。在制备过程中，需要控制好各成分的比例和反应条件，以确保光

致变色复合材料具有良好的性能“

3.光致变色复合材料与光纤结合：采用涂覆法将光致变色复合材料与光纤结合。将制备好的

光致变色复合材料溶液装入喷枪或旋涂仪中，将光纤固定在旋转台上，调整好喷枪或旋涂

仪的参数，如喷涂压力、旋涂速度等，使光致变色复合材料溶液均匀地涂覆在光纤表面。

涂覆完成后，将光纤在一定温度下干燥固化，使光致变色复合材料牢固地附着在光纤表

面。在干燥固化过程中，需要控制好温度和时间，避免温度过高或时间过长导致光致变色

复合材料性能下降。

4.封装与测试：对制备好的光纤传感器进行封装处理，保护光致变色复合材料和光纤，提高

传感器的稳定性和可靠性。可以使用保护套管、封装胶等材料对光纤传感器进行封装。将

光纤传感器放入保护套管中，然后在两端注入封装胶，使光纤传感器与保护套管紧密结

合。对封装好的光纤传感器进行性能测试，包括检测灵敏度、选择性、稳定性等。使用光

谱仪、荧光光度计等设备，测量传感器在不同条件下的光学性能变化，验证其对目标物的

检测能力。通过测量传感器在不同浓度目标物存在下的光致变色特性变化，确定其检测灵

敏度和线性范围；通过检测传感器对不同干扰物的响应，评估其选择性；通过长时间监测

传感器的性能变化，考察其稳定性。

5.2实例一：光致变色复合材料用于生物分子检测

5.2.1设计原理

利用光致变色荧光生物传感器检测生物分子的设计原理基于光致变色材料的荧光特性以及生物

分子之间的特异性相互作用。以检测特定蛋白质分子为例，研究人员通常会将对该蛋白质具有

特异性识别能力的生物分子，如抗体，与光致变色荧光材料相结合。

在设计过程中，首先选择合适的光致变色荧光材料，如荧光素类光致变色材料，其在特定波长

的光激发下能够发射出荧光。然后，通过化学偶联等方法将针对目标蛋白质的抗体连接到光

致变色荧光材料上。当样品中存在目标蛋白质分子时，抗体与蛋白质特异性结合，这种结合会

引发光致变色荧光材料周围微环境的变化，进而影响其荧光特性。具体来说，抗体与蛋白质

的结合可能会改变光致变色荧光材料的分子构象.或者影响其与周围分子的相互作用，从而导

致荧光强度、荧光波长或荧光寿命等荧光参数发生变化。

通过检测这些荧光参数的变化，就可以实现对目标蛋白质分子的定性或定量检测。在荧光强度

检测模式下，当抗体与目标蛋白质结合后，可能会导致光致变色荧光材料的荧光强度增强或减

弱，通过测量荧光强度的变化程度，就可以确定目标蛋白质的浓度。在荧光波长检测模式

下，抗体与蛋白质的结合可能会使光致变色荧光材料的荧光发射峰发生位移，通过监测荧光波

长的变化，也能够实现对目标蛋白质的检测。这种基于光致变色荧光生物传感器的设计原

理，充分利用了光致变色材料的光学特性和生物分子的特异性识别能力，具有灵敏度高、选择

性好等优点，为生物分子的检测提供了一种高效、准确的方法。

5.2.2性能测试与结果分析

对该光致变色荧光生物传感器的性能测试主要包括灵敏度、选择性以及实际应用效果等方面。

在灵敏度测试中，通过制备一系列不同浓度的目标蛋白质标准溶液，使用该传感器进行检测，

记录荧光参数的变化情况。实验结果表明，该传感器对目标蛋白质具有较高的灵敏度，能够

检测到极低浓度的蛋白质分子。在检测浓度低至10-9mol/L的目标蛋白质时，传感器的荧

光强度仍能产生明显的变化，且荧光强度与蛋白质浓度之间呈现良好的线性关系，线性相关系

数达到0.99以上。这表明该传感器能够准确地对低浓度的生物分子进行定量检测，满足生物

医学检测中对高灵敏度的要求。

在选择性测试中，将传感器分别与目标蛋白质以及其他干扰蛋白质进行接触，观察传感器的荧

光响应。结果显示，传感器对目标蛋白质具有高度的选择性，当存在其他干扰蛋白质时，传

感器的荧光参数几乎没有发生变化，只有在与目标蛋白质特异性结合时，才会产生明显的荧光

响应。这种高选择性使得该传感器能够在复杂的生物样品中准确地检测出目标生物分子，避

免了其他生物分子的干扰，提高了检测的准确性和可靠性。

在实际应用效果测试中，将该传感器应用于实际生物样品的检测，如血清、细胞裂解液等。

在对血清样品中的目标蛋白质进行检测时，传感器能够准确地检测出目标蛋白质的含量，与传

统的酶联免疫吸附测定（ELISA）方法相比，检测结果具有良好的一致性。该传感器还具有

操作简单、检测速度快等优点，能够在短时间内完成对生物样品的检测，为生物医学研究和临

床诊断提供了一种便捷、高效的检测手段。

5.3实例二：光致变色复合材料用于环境污染物检测

5.3.1设计原理

基于光致变色材料的比色传感器检测环境污染物的设计原理，主要基于光致变色材料与环境污

染物之间的特异性相互作用，以及这种相互作用所引发的光致变色材料光学性质的改变。以检

测水中重金属离子汞（HgA｛2+｝）为例，研究人员利用特定的光致变色材料，如基于罗丹明酰

肿与带有覆酸官能团结构的二芳基乙烯相结合形成的探针10,来实现对HgA｛2+｝的检测。

二芳基乙烯作为一种常见的光致变色材料，具有独特的光致变色性能，在紫外光和白光的交替

照射下能发生可逆的光致变色现象。将罗丹明酰脚与带有殷酸官能团结构的二芳基乙烯相结

合，使得探针10不仅具备光致变色性能，还具有对HgA｛2+｝的特异性识别能力。其识别原理

在于，罗丹明酰肿部分的结沟能够与HgA｛2+｝发生特异性的络合反应，而这种络合反应会进一

步影响二芳基乙烯的光致变色特性。

当水中存在HgA｛2+｝时，HgA｛2+｝会与探针10中的罗丹明酰肿部分发生络合，形成稳定的络

合物。这种络合作用会改变探针1。的分子结构和电子云分布，进而影响二芳基乙烯的光致

变色过程。在光照条件下，原本的光致变色反应会因为HgA｛2+｝的存在而发生变化，导致材料

的吸收光谱或荧光光谱发生改变。通过检测这些光谱的变化，就可以实现对水中HgA[2+｝的

定性和定量检测。例如，在特定波长的光激发下，未与HgA｛2+｝结合的探针10会发射出特定

波长和强度的荧光，而当HgA｛2+｝与探针1。结合后，荧光强度会发生明显的变化，通过测量

荧光强度的变化程度，就可以确定水中HgA｛2+｝的浓度。

5.3.2性能测试与结果分析

对该比色传感器检测环境污染物的性能测试主要集中在检测能力和稳定性两个方面。在检测能

力方面，通过配置一系列不同浓度的HgA｛2+｝标准溶液，利用该比色传感器进行检测，并记录

相应的光谱变化数据。实验结果表明，该传感器对Hg八｛2+｝具有较高的检测灵敏度，能够检

测到极低浓度的HgA｛2+｝。在检测限测试中，该传感器能够准确检测到浓度低至IO-12moi/L

的HgA｛2+｝,且在一定浓度范围内，传感器的光谱变化与HgA｛2+｝浓度呈现良好的线性关系，

线性相关系数达到0.995以上。这表明该传感器能够对K同浓度的HgA｛2+｝进行准确的定量

检测，满足环境监测中对低浓度污染物检测的要求。

在选择性测试中，将该传感器分别与其他常见金属离子（如CuA｛2+｝、ZW｛2+｝、Fe03+｝等）

以及HgA｛2+｝进行接触，观察传感器的光谱响应。结果显示，该传感器对HgA｛2+｝具有高度的

选择性，当存在其他常见金属离子时，传感器的光谱几乎没有发生变化，只有在与HgA｛2+｝特

异性结合时，才会产生明显的光谱变化。这种高选择性使得该传感器能够在复杂的环境水样

中准确地检测出Hg'2+},避免了其他金属离子的干扰，提高了检测的准确性和可靠性。

在稳定性测试方面，对该传感器进行了长时间的稳定性实验。将传感器放置在不同的环境条

件下(如不同温度、湿度、光照强度等)，定期检测其对HgA{2+}的检测性能。实验结果表

明，在常温、常湿条件下，该传感器在一个月内对HgA{2+}的检测性能基本保持稳定，检测误

差在±5%以内。即使在高温(50℃).高湿(80%RH)的恶劣环境条件下，传感器在一周

内仍能保持较好的检测性能，检测误差在±10%以内。这表明该传感器具有较好的稳定性，

能够在不同的环境条件下长时间稳定工作，为实际环境监测提供了可靠的保障。

5.4实例三：光致变色复合材料用于食品安全检测

5.4.1设计原理

用于检测食品中有害微生物的光致变色传感器，其设计原理基于光致变色复合材料与有害微生

物之间的特异性相互作用，以及这种相互作用引发的光致变色效应。以检测大肠杆菌为例，研

究人员通常会选择对大肠杆菌具有特异性识别能力的生物分子，如适配体，将其与光致变色材

料相结合。

适配体是一种通过指数富集的配体系统进化技术(SELEX)筛选得到的单链DNA或RNA分

子，它能够与特定的靶标分子，如蛋白质、小分子、微生物等，发生特异性结合，且具有高亲

和力和高特异性。在检测大肠杆菌的光致变色传感器中，将针对大肠杆菌的适配体固定在光

致变色材料表面，当食品样品中存在大肠杆菌时，适配体与大肠杆菌特异性结合，这种结合会

引发光致变色材料周围微环境的变化，进而影响光致变色材料的光致变色特性。

具体来说，适配体与大肠杆菌的结合可能会改变光致变色材料的分子构象，或者影响其与周围

分子的相互作用，从而导致光致变色材料在光照下的吸收光谱或荧光光谱发生变化。在荧光

检测模式下，当适配体与大肠杆菌结合后，可能会导致光致变色材料的荧光强度增强或减弱，

通过测量荧光强度的变化程度，就可以确定食品中大肠杆菌的浓度。在吸收光谱检测模式

下，适配体与大肠杆菌的结合可能会使光致变色材料的吸收峰发生位移或强度改变，通过监测

吸收光谱的变化，也能够实现对大肠杆菌的检测。这种基于光致变色复合材料的有害微生物

检测传感器，充分利用了光致变色材料的光学特性和适配体的特异性识别能力，具有灵敏度

高、选择性好、检测速度快等优点，为食品安全检测提供了一种有效的技术手段。

5.4.2性能测试与结果分析

对该光致变色传感器检测食品中有害微生物的性能测试主要涵盖灵敏度、选择性以及实际应用

效果等方面。在灵敏度测试中，通过制备一系列不同浓度的大肠杆菌标准溶液，使用该传感器

进行检测，记录光致变色材料的光谱变化情况。实验结果表明，该传感器对大肠杆菌具有较

高的灵敏度，能够检测到极低浓度的大肠杆菌。在检测浓度低至103CFU/mL的大肠杆菌

时，传感器的荧光强度仍能产生明显的变化，且荧光强度与大肠杆菌浓度之间呈现良好的线性

关系，线性相关系数达到0.992。这表明该传感器能够准确地对低浓度的有害微生物进行定

量检测，满足食品安全检测中对高灵敏度的要求。

在选择性测试中，将传感器分别与大肠杆菌以及其他常见的有害微生物（如金黄色葡萄球菌、

沙门氏菌等）进行接触，观察传感器的光谱响应。结果显示，传感器对大肠杆菌具有高度的

选择性，当存在其他有害微生物时，传感器的光谱几乎没有发生变化，只有在与大肠杆菌特异

性结合时，才会产生明显的光谱变化。这种高选择性使得该传感器能够在复杂的食品样品中

准确地检测出大肠杆菌，避免了其他有害微生物的干扰，提高了检测的准确性和可靠性。

在实际应用效果测试中，将该传感器应用于实际食品样品的检测，如牛奶、肉制品等。在对

牛奶样品中的大肠杆菌进行检测时，传感器能够准确地检测出大肠杆菌的含量，与传统的微生

物培养法相比，检测结果具有良好的一致性。该传感器还具有操作简单、检测速度快等优

点，能够在短时间内完成对食品样品的检测，为食品安全检测提供了一种便捷、高效的检测手

段。与传统的微生物检测方法相比，基于光致变色复合材料的传感器不需要复杂的培养和检

测设备，检测时间从传统方法的数小时甚至数天缩短至几十分钟，大大提高了检测效率，能够

满足食品安全快速检测的需求。

六、面临挑战与解决方案

6.1面临挑战

6.1.1材料稳定性问题

光致变色复合材料在长期使用或特殊环境下稳定性下降是一个亟待解决的关键问题。从分子层

面来看，光致变色过程中分子结构的反复变化会导致分子内部的化学键逐渐疲劳，从而影响材

料的稳定性。以有机光致变色材料螺毗喃为例，在光致变色循环过程中，螺毗喃分子的C-0

键反复断裂和形成，随着循环次数的增加，C-0键的强度会逐渐减弱，导致分子结构的稳定

性下降，进而影响材料的光致变色性能。

环境因素也是导致材料稳定性下降的重要原因。在高温环境下，光致变色复合材料的分子运动

加剧，可能会引发分子间的化学反应，导致材料的结构和性能发生改变。在高温条件下，一

些有机光致变色材料可能会发生热分解反应，使材料失去光致变色性能。高湿度环境也会对材

料的稳定性产生影响，水分可能会吸附在材料表面或渗透到材料内部，与光致变色分子发生相

互作用，导致分子结构的变化和性能的下降。对于一些对水分敏感的无机光致变色材料