东华大学:研发共轭微孔聚合物的先进化学传感器应用

在快速发展的信息化时代,随着物联网与互联网等信息技术的蓬勃发展,传感技术在生活、家居、医疗、军事、交通等诸多领域中有着举足轻重的地位,欧美日等诸多发达国家都将传感技术列为关键核心技术之一。通常,各种传感器的研究进展很大程度上取决于新型传感材料的开发。


高分子化学传感器因具有分子可设计性、高选择性、轻质和低工作温度等特点,弥补了其他传感器的不足,受到越来越多的关注。共轭微孔聚合物(Conjugated microporous polymers, CMPs)是一类具有可扩展的π共轭结构、孔径可调、比表面积高和分子可设计的新型多孔材料。这类材料因其可扩展的π共轭结构而产生独特的光电特性,能通过改变其固有荧光和导电性,进而用于检测各种化学物质。虽然,基于CMPs的化学传感器的研究正在快速发展,但目前尚缺少对CMPs化学传感研究现状和发展前景的全面概述。因此,系统总结基于CMPs的化学传感研究对于发展先进传感前沿应用具有里程碑的意义。

1.CMPs传感材料的设计

通常,构筑具有化学传感特性的CMPs的合成策略与粉末状的CMPs的合成方法相似,通过金属偶联反应(如Yamamoto、Suzuki、Sonogashira反应)、席夫碱反应以及环化反应等键合不同拓扑序列(如C2、C3、C4 及 C6)共轭单体进行制备。综述中对典型的构筑单元和具体的合成策略进行了总结与对比。此外,为了满足复杂的实际应用场景,不同宏观形状(膜、纤维等)CMPs的合成策略也进行了归纳。精准的分子设计赋予了CMPs多种功能特性,有利于选择性的识别探测目标,使其在高选择性、高灵敏度和快速响应的化学传感材料中极具发展潜力与研究价值。

2. CMPs传感材料的分类及传感机理

根据传感机理的不同,可将基于CMPs的化学传感器分为荧光型、电化学型、比色型、电阻型和组合功能型传感器。综述中对这五种类型的传感器进行了分析与对比,并重点介绍了荧光型传感器。其传感机制可以归因于谐振能量转移、供受体间电子转移、吸收竞争淬灭效应以及协同作用等。虽然目前尚未有CMPs应用于电阻型传感器,但CMPs的固有特性使其有实现的可能,对于拓展CMPs的应用有重要的意义。

3. CMPs传感器的实际应用

通过利用CMPs的光电特性和孔径结构,可将CMPs拓展应用在先进传感领域(工业废气、爆炸物、金属阳离子、卤素、微生物污染物、有机污染物和生物诊断),甚至将这些功能集成在一起构建组合功能传感器。综述中通过列举代表性的参考文献总结了不同应用场景的CMPs及其特点。目前,基于CMPs的化学传感器以用于检测爆炸物的荧光型传感器为主,其他类型的传感器发展还有很大的发展空间。

4. 总结与展望

近十五年来,基于CMPs的化学传感器迅速发展,并表现出了超强灵敏度,高选择性,快速响应/恢复速度,出色的长期稳定性以及优秀的循环性能。通过精准的分子设计,并利用其可扩展的π共轭结构(提高了激子迁移的能力)、自具微孔结构(利于分析物的扩散)和大的比表面积(改善主客体相互作用),CMPs成功拓展到多种类型的不同场景的先进传感应用。作者相信CMPs在化学传感领域是一种极具有潜力的新兴多孔材料,在不久的将来可以被开发为更实用的气体传感器设备。

来源:传感器专家网


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