本发明专利技术涉及一种基于荧光共轭聚合物激光效应的化学传感器、方法及其应用。所述的传感器包括微谐振腔和与之结合的荧光共轭聚合物荧光聚合物既用作传感材料，同时作为激光增益介质，采用脉冲激光对其进行泵浦，在各种微谐振腔的调制下，产生受激辐射的激光输出。在与被分析物作用后，聚合物的荧光强度和增益系数发生改变，从而影响微谐振腔中激光传播特性，导致激光的输出强度随之变化，即可实现传感功能。本发明专利技术利用了激光的高强度、单色性、阈值特性，克服传统荧光化学传感器中荧光的低强度、宽光谱、易受干扰的缺点，具有高灵敏度、快速响应和强抗干扰能力。可同时实现近距离和远距离的包括环境污染物、毒品、化学物质和生物物质等化学品探测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于化学传感
，具体涉及一种基于荧光共轭聚合物中激光效应的 化学传感器。
技术介绍
化学传感器是一种为实时检测体系中的某种特定成分而设计的小型化分子器件。 以荧光为输出信号的化学传感器颇受人们欢迎，这是因为不管是在溶液中还是在界面上， 荧光信号比较容易观测，同时由于荧光信号非常灵敏，其传感器检测的下限浓度往往较低。 近年来，以共轭聚合物为基础的荧光传感器显示出自身的优势，获得了迅速的发展。含有 刚性共轭主链是共轭聚合物的重要特征，多个发光单元通过双键或三键连在一起形成分子 链，这种分子链效应可以将荧光信号几十到几百倍放大，相比于传统小分子传感器，共轭聚 合物特有的传感信号放大功能是它们成为优良活性传感材料的重要原因。目前，在国防、公共安全、环境安全等有关的经济和社会领域，对具有高灵敏度和 高选择性化学传感器的需求越来越大，而且要求也越来越高。研究人员把重点主要放在了 提高荧光共轭聚合物自身性能以及开发新的器件结构上，然而，聚合物制备工艺过程往往 比较复杂，涉及反应条件较多，所以提高荧光共轭聚合物自身性能往往比较困难，费用也很 昂贵。虽然各种新型结构的化学传感器相继问世，但检测方法依然沿用的是传统的荧光检 测方法，难以克服荧光的低强度、宽光谱、易受干扰的缺点。一般来说，荧光共轭聚合物具有高的荧光量子效率和大的受激辐射截面，是一类 优良的激光增益介质，与谐振腔结合后，多种基本于荧光共轭聚合物的激光器和放大器已 被开发问世。但此类研究主要关注器件发光效率和寿命问题，尚未受到化学传感领域研究 者的重视。实际上，和自发辐射的荧光相比，受激辐射的激光，具有更高的强度、更好的单色 性以及特有的阈值特性，如果将传统的荧光共轭聚合物传感材料与微谐振腔结合，较容易 实现受激辐射的激光输出，荧光聚合物便可同时作为传感材料和增益介质，在与被分析物 作用后，荧光聚合物的增益特性会受到影响，由于激光输出具有阈值性质，很小的增益改变 将导致激光输出信号的大幅变化，且激光信号单色性好，与背景光有很好的分辨能力，不易 受到干扰，正好可以解决传统荧光检测方法中的诸多问题。此外，由于通常采用脉冲激光光源对荧光聚合物进行泵浦，光源具有优良的单向 传播性，因此可以实现远程的泵浦以及远程的化学传感。这种新型的基于荧光共轭聚合物 中激光效应的化学传感方法以及相关的传感器将在环境污染物、毒品、化学物质和生物物 质等领域有着广泛的应用前景
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于荧光共轭聚合物中激光效应的化学传感器、方法 及其应用。与传统的基于荧光效应的传感器相比，这种传感器利用了激光的高强度、单色性、阈值特性，可以克服传统荧光化学传感器中荧光的低强度、宽光谱、易受干扰的缺点，具有高灵敏度、快速响应和强抗干扰能力。同时，由于泵浦光源采用单向性的激光取代传统的 发散性光源，这种传感器可实现近距离和远距离的化学及生物物质探测，实用性强。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的首先，制备具有合适谐振波长的微谐振腔，微谐振腔的谐振波长需与荧光聚合物 的荧光光谱相匹配，以便荧光聚合物在外界光泵浦下更容易产生受激辐射的激光输出。微 谐振腔的种类有分布式反馈腔、平面光波导谐振腔、分布布拉格反射腔、法布里_泊罗腔、 耳语回廊式腔、微环形腔、微球形腔、光子晶体微腔、随机激光微腔。所述的谐振腔制备工 艺有紫外光刻、激光干涉光刻、垂直沉积法、电子束光刻、分子外延生长、抛胶成膜法、模板 法、化学气相沉积、自组装、离子束刻蚀。制备谐振腔常用的材料为石英、掺杂铒、镱、锰等 元素的石英、氟化钙玻璃、PDMS等透明硅胶、聚氨酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚对苯 二甲酸乙二醇酯等柔性塑料基质。考虑到后续要将荧光聚合物与谐振腔结合，材料选择须 与聚合物所选溶剂不相溶以及不发生反应。第二步，选取具有特异性传感性质的荧光共轭聚合物，其必须具有高的荧光量子 效率和大的受激辐射截面，能够同时作为激光增益材料。荧光共轭聚合物骨架可以为聚芴、 聚喹啉、聚苯、聚对苯撑乙烯、聚对苯撑乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺及其衍生物，包括与功 能性单体的二元和多元共聚物。选择的荧光聚合物可以掺杂无机纳米颗粒(50 400nm)， 包括氧化锌、氧化钛、氧化硅、氧化铝，用作光散射体，可提高荧光共轭聚合物荧光强度；也 可以掺杂有机金属配合物包括铜、钴、镍、镉、钼、钯、钌、锌、铁、铬、锡、锰、钒、镁为金属中心 的配合物，配体包括卟啉类化合物、酞菁类化合物、邻菲罗琳、联吡啶、苯基吡啶、噻吩吡啶、 8-羟基喹啉、多羧基配体、多胺基配体、二酮配体等，有机金属配合物作为受体，荧光共轭聚 合物为给体，二者之间必须能发生电荷转移或能量转移。第三步，在选择了荧光共轭聚合物材料后，需将其与制备的微谐振腔结合，欲结合 所采用的工艺抛胶涂覆、浸渍提拉、气相沉积、自组装。 进一步，搭建检测光路，采用光学过滤片对脉冲激光源进行过滤，滤掉低频波长的 光，得到要求的单色光源，然后采用望远镜对激光束进行扩束，最后，用柱面镜或球面镜将 激光束聚焦成线状或圆斑状，垂直照射在聚合物表面。出射光经过光学过滤片过滤，球面镜 聚焦，用光纤导入到增强型CCD光谱仪中，对光强实时进行观察和记录。将本专利技术提供的化学传感器放置于被分析物的氛围之中，采用脉冲激光进行泵 浦，使被分析物与谐振腔表面的荧光共轭聚合物传感材料作用，作用后，荧光共轭聚合物的 荧光强度和增益系数发生变化，从而将导致微谐振腔中光传播特性改变，影响输出的激光 强度，这种强度的变化被实时记录和观察，以用来确定被分析物的成分及浓度，从而实现基 于荧光共轭聚合物中激光效应的化学传感。在传统的基于荧光方法的化学传感器中，激发光源一般采用氙灯，它是一种其有 发散性的非单色光源，用其激发荧光聚合物，产生的荧光强度并不高，属于宽光谱，而且环 境光对其影响较大，通过荧光的变化来检测被分析物虽有一定的优势，但受限于荧光本身 的缺陷，单纯从材料和器件结构上来改进并不能真正有效的满足经济和社会对高性能传感 器的要求。本专利技术提供了一种基于荧光共轭聚合物中激光效应的化学传感器，从本质上改 变了信号传感的机制，由荧光法改进为激光法，充分利用了现有荧光传感材料的增益特性，克服了荧光方法存在的本质的缺点，具有高灵敏度、快速响应、强抗干扰能力以及远距离探 测的优点，因此在国防安全和公共安全，又可在环境检测等方面有广泛的应用前景。总之，本专利技术公开了基于荧光共轭聚合物中激光效应的化学传感器、方法及其应 用。在这种传感器中，荧光聚合物既用作传感材料，同时作为激光增益介质，采用脉冲激光 对其进行泵浦，在各种微谐振腔的调制下，产生受激辐射的激光输出。在与被分析物作用 后，聚合物的荧光强度和增益系数发生改变，从而影响微谐振腔中激光传播特性，导致激光 的输出强度随之变化，即可实现传感功能。这种传感器利用了激光的高强度、单色性、阈值 特性，可以克服传统荧光化学传感器中荧光的低强度、宽光谱、易受干扰的缺点，具有高灵 敏 度、快速响应和强抗干扰能力。同时，由于泵浦光源采用单向性的激光取代传统的发散性 的氙灯，本专利技术可同时实现近距离和远距离的化学品探测，包括环境污染物、毒品、化学物 质和生物物质等。特别适用于1，3，5_三硝基甲苯、本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于荧光共轭聚合物激光效应的化学传感器，其特征在于所述的传感器包括微谐振腔和与之结合的荧光共轭聚合物；其中，①微谐振腔的谐振波长与荧光聚合物的荧光光谱相匹配，使荧光共轭聚合物在外界光泵浦下产生受激辐射的激光输出；②所述的荧光共轭聚合物具有高的荧光量子效率和大的受激辐射截面，同时作为激光增益材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：邓常敏，贺庆国，何超，程建功，曹慧敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31
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