从严格意义上讲，传感器是一类具有信息感受和物理量转换功能的有形器件。一般而言，传感器主要由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源等四个部分组成，四者协同才能完成对信息的感知、转化、加工和输出功能。从传感信息的属性讲，可将传感器区分为物理、化学和生物三大类。传统上，传感器的研发主要局限于半导体、信息技术和分析化学等专业，其它专业人员介入相对较少。然而，伴随物联网和人工智能技术的飞速发展，人们对传感器的类别要求越来越多，对传感器的性能要求越来越高，而新的传感器往往又涉及化学物质和生命活性物质的高选择、高灵敏传感，这就必将涉及越来越多和越来越复杂的表界面科学基本问题，也必将对特定结构的理性设计和控制制备能力提出越来越高的要求。因此，当代高性能传感器的研制必须有新的力量加入。
博文
新型传感技术 | 薄膜基荧光传感研究
|
事实上，近年来，越来越多的物理化学、有机化学、高分子化学，乃至无机化学专业人士陆续加入到传感器研究队伍中来。不过需要指出的是，化学专业人士擅长的只能是敏感材料的创制，以及化学物质和生命活性物质传感的分子机制研究，而传感器的研制则需要不同学科背景人士的通力合作，甚至需要产业界的介入。也就是说，传感器的研制具有突出的跨学科、跨领域特点，跨界研究是传感器研制的必需。
作为一种重要的新型传感技术，薄膜基荧光传感研究近年来得到了迅猛发展，已经逐渐成为继离子迁移谱技术之后业界公认的一类最具发展潜力的微痕量物质气相原位快速探测技术。其特点至少包括：（1）因通过传感单元激发态对微环境的敏感性实现探测而使其拥有极高的灵敏度；（2）因敏感材料创新制备途径多而使其在探测对象种类拓展方面具有极大的发展空间；（3）因以薄膜形式工作而使其易于器件化、阵列化、柔性化；（4）传感器体积小、结构相对简单、功耗低，易于实现相关仪器的便携和长期稳定使用，能够满足原位在线探测需要。
与常规基础科学研究不同，开展传感器研制工作需要构建链条完整的研发体系。这个体系至少包括以下几个环节：（1）围绕敏感材料设计制备和传感机制进行的基础研究；（2）工况条件下的敏感材料性能评价和器件化研究；（3）电路、信号、结构工程师等专业人员参与的配套研究；（4）系统集成，结构与性能优化研究；（5）实际测试与评价等。由此可见，传感器研制确实具有跨领域、技术密集和研发门槛高等特点。这就是为什么传感器技术被看作是高新技术，而且传感器的研发能力被认为是反映一个国家和区域科技创新能力和科技发展水平的重要标志之一。
图1 薄膜基荧光传感器的一般制备过程
薄膜基荧光传感器核心技术主要包括敏感薄膜材料制备技术和传感器硬件结构。就目前发展而言，人们关注的多是与公共安全、环境污染、身体健康等相关的有机成分的选择性探测。与以往关注的NOx、SOx等不同，有机成分的检测往往需要通过特殊的有机结构来实现，因此，就必须考虑：（1）如何设计合成高性能传感单元（Sensing Units）？（2）如何实现理想结构涂层（Adlayer）/活性层的控制制备？（3）如何避免或延缓涂层/活性层的光化学漂白（Photo-bleaching）？（4）如何采集并高效利用薄膜输出信号？这些就构成了未来相当长一段时间内薄膜基荧光传感研究的重点。由此看来，以创造新物质、发现新功能、实现新应用为己任的化学科学工作者在薄膜基荧光传感器，特别是在涉及化学物质、生命活性物质和放射性物质检测、监测用薄膜基荧光传感器的研制过程中无疑扮演着核心的角色。
图2 一种典型的薄膜基隐藏爆炸物荧光探测仪
正是基于上述认识，在过去的二十多年里，房喻教授领导的团队坚持开展薄膜基荧光传感科学与技术研究，在敏感薄膜材料创新制备、薄膜器件化、器件性能评价与传感器结构优化条件建设、跨学科研究队伍组建，以及跨界研发体制机制建设等方面均做出了努力，取得了一些重要进展，为性能更加优异薄膜基荧光传感器的研制奠定了良好的基础。《薄膜基荧光传感技术与应用》一书正是在这些努力的基础上由房喻教授独立撰写而成。
《薄膜基荧光传感技术与应用》主要由七章构成。第一章简要介绍荧光传感器研究需要了解的一些基本光物理知识；第二章主要介绍文献已经报道，比较常见的薄膜制备技术与策略；第三章主要介绍常规物理荧光薄膜的制备方法和传感应用；第四章主要介绍基于界面化学组装的荧光薄膜制备方法和传感应用；第五章介绍分子凝胶基物理薄膜的制备策略，以及由此而来的荧光薄膜的传感性能与应用；第六章主要介绍薄膜器件化过程和典型的薄膜基荧光传感器，以使读者对薄膜基荧光传感器有更加直接的认识；第七章主要是结合薄膜基荧光传感器研究现状和信息化、智能化社会发展对高端化学和生物传感器发展的迫切需要，简要论述薄膜基荧光传感器的发展趋势。
需要说明的是，由于某些客观原因，本书没有涉及研究价值和应用潜力巨大，与生命过程密切相关的薄膜基荧光传感内容，也没有涉及各界极为看好，发展势头强劲的柔性传感。不过，可以肯定的是，随着薄膜基荧光传感研究的深入，柔性传感、生命过程相关薄膜基荧光传感必然会受到越来越多的关注。
ISBN 9787030624932
责任编辑：张淑晓 高微
本书目录
目录
丛书序 i
前言 iii
第1章 荧光技术原理概述 001
1.1 常见荧光技术 001
1.2 Jablonski能级图和跃迁 002
1.2.1 光吸收过程 003
1.2.2 荧光发射 004
1.2.3 磷光发射 004
1.2.4 内转换和外转换 005
1.2.5 振动弛豫 005
1.2.6 系间窜越 006
1.3 荧光发射特征 006
1.3.1 斯托克斯位移 006
1.3.2 卡沙规则 007
1.3.3 镜像规则 007
1.3.4 荧光量子产率和荧光寿命 009
1.3.5 内滤效应与自吸收现象 010
1.3.6 荧光产生的结构基础 011
1.4 荧光寿命测定 012
1.4.1 荧光寿命测定的主要方法 013
1.4.2 荧光寿命测定中的数据处理 016
1.5 荧光猝灭技术 020
1.5.1 静态荧光猝灭 020
1.5.2 动态荧光猝灭 021
1.5.3 荧光猝灭的其他形式 024
1.6 荧光各向异性测量 025
1.6.1 荧光偏振和荧光各向异性 025
1.6.2 旋转相关时间的实验测定 027
1.6.3 时间分辨荧光各向异性测量 028
1.7 时间分辨荧光光谱 030
1.8 能量转移相关过程和技术 032
1.8.1 辐射能量转移 032
1.8.2 荧光共振能量转移 033
1.8.3 经由电子交换的能量转移 034
1.8.4 不同形式能量转移的比较 036
1.8.5 H聚集与J聚集 037
1.9 荧光发射中的溶剂效应 039
1.10 时间分辨荧光技术应用概述 040
1.11 荧光传感策略 041
1.11.1 光诱导电子转移 041
1.11.2 分子内电荷转移 042
1.11.3 非辐射能量转移 044
1.11.4 激基缔合物形成 045
1.11.5 化学反应利用 046
参考文献 049
第2章 荧光薄膜制备的一般策略 052
2.1 衬底表面修饰与荧光薄膜制备 053
2.2 衬底表面物理修饰 054
2.2.1 物理涂覆 054
2.2.2 层层自组装 055
2.2.3 旋涂-喷雾-层层自组装联用技术 056
2.2.4 LB膜技术 057
2.2.5 分子凝胶制膜技术 059
2.3 衬底表面化学修饰 060
2.3.1 硅烷化反应 062
2.3.2 有机磷酸酯的表面反应 065
2.3.3 有机羧酸的表面反应 066
2.3.4 儿茶酚(邻苯二酚)的表面反应 069
2.3.5 含烯键或炔键化合物在衬底表面的固定化 071
2.3.6 其他有机化合物的表面反应 075
2.4 薄膜表征 075
2.4.1 非光谱学方法 076
2.4.2 光谱分析和显微分析方法 077
2.4.3 薄膜荧光性能的一般表征 078
参考文献 080
第3章 普通荧光物理薄膜的特点与传感应用 084
3.1 高分子包埋法所得荧光薄膜 085
3.2 溶胶-凝胶法所得荧光薄膜 092
3.3 层层自组装和Langmuir荧光薄膜 098
3.4 共轭高分子荧光薄膜 105
3.5 其他无序荧光薄膜 115
3.6 无序荧光薄膜传感应用的局限性与解决策略 119
参考文献 120
第4章 荧光化学组装膜的特点与传感应用 127
4.1 硅基材料与表面化学组装膜 128
4.2 小分子基荧光化学组装膜 131
4.3 共轭高分子基荧光化学组装膜 151
4.4 配合物基荧光化学组装膜 162
4.5 化学组装膜传感应用的局限性与解决策略 167
参考文献 168
第5章 凝胶基荧光物理薄膜的特点与传感应用 175
5.1 荧光传感与光漂白 177
5.2 分子凝胶的结构与应用 180
5.3 凝胶基荧光薄膜及其传感应用 187
5.4 凝胶基荧光薄膜传感应用的局限性与解决策略 200
参考文献 209
第6章 薄膜器件化与薄膜基荧光传感器 216
6.1 传感器与传感技术 218
6.2 薄膜基荧光传感器的制备 220
6.2.1 衬底选择 220
6.2.2 衬底活化 221
6.2.3 传感元素固定化 222
6.2.4 传感薄膜性能评价 222
6.2.5 膜片封装 223
6.2.6 工装检验 224
6.2.7 性能终检 224
6.3 敏感薄膜器件制备示例 225
6.3.1 衬底的选择 225
6.3.2 衬底清洗与活化 225
6.3.3 溶液配制 226
6.3.4 薄膜制备 226
6.3.5 薄膜结构检验 226
6.3.6 荧光测定 226
6.3.7 薄膜的包装储运 228
6.4 薄膜基荧光传感器结构 229
6.4.1 常规结构 229
6.4.2 波导管结构 230
6.4.3 叠层结构 230
6.5 薄膜基荧光传感器示例 231
6.6 薄膜器件与荧光传感器研究建议 235
参考文献 236
第7章 总结与展望 238
7.1 衬底表面精准有机合成与超分子组装新方法研究 239
7.2 薄膜光化学漂白机理研究 240
7.3 衬底效应研究 247
7.4 传感器结构研究 253
7.5 薄膜基荧光传感器研究建议 256
参考文献 262
附录 266
索引 275
彩图
《薄膜基荧光传感技术与应用》属于“十三五”国家重点出版物出版规划项目“光电子科学与技术前沿丛书”（丛书主编：姚建年，褚君浩）。丛书已出版书目：
书 名 | 作 者 |
薄膜基荧光传感技术与应用 | 房喻 |
印刷显示材料与技术 | 彭俊彪，兰林锋 |
有机功能材料微纳结构制备与应用 | 裴坚，王婕妤 |
水醇溶性共轭聚合物光电材料及应用 | 黄飞，段春晖，曹镛 |
金属配合物电致发光 | 刘志伟，卞祖强，黄春辉 |
基于分子间电荷转移激发态的有机光电子器件结构设计 | 李文连 等 |
有机光电子材料在生物医学中的应用 | 范曲立，黄维，刘兴奋 |
有机薄膜晶体管材料器件和应用 | 孟鸿，黄维 |
有机太阳能电池材料与器件 | 张春福，习鹤，陈大正 |
本期编辑丨王芳
一起阅读科学!
科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm
专业品质 学术价值
原创好读 科学品味
读书荐书
https://wap.sciencenet.cn/blog-528739-1210544.html
上一篇：热河生物群研究的回顾与展望
下一篇：聚苯胺的制备和应用丨国家出版基金项目
