新型传感技术 薄膜基荧光传感

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。

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