基于四苯基卟啉的光波导与化学电阻双模传感器对NH3和H2S的高效检测机制研究

针对传统NH3传感器需高温工作、选择性差的问题，新疆大学团队以四苯基卟啉(TPP)为敏感材料，开发出室温下工作的光波导(OWG)与化学电阻双模传感器。该传感器对0.1-100 ppm NH3具有可逆响应，对H2S/NO2展现快速响应-恢复特性，为有毒气体检测提供了新型低功耗解决方案。

　　

氨气(NH₃)作为化肥和制药工业的重要原料，其泄漏会对人体造成从眼部刺激到肺损伤的多重危害。传统金属氧化物传感器虽广泛应用，却存在工作温度高、能耗大且可逆性差的缺陷。四苯基卟啉(TPP)因其独特的芳香共轭大环结构和窄HOMO-LUMO能隙，成为室温气体传感的理想材料。新疆工程学院安全科学与工程学院联合新疆大学的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表研究，通过将TPP薄膜与K⁺离子交换玻璃光波导结合，构建出双模传感平台。

研究采用原子力显微镜(AFM)和紫外可见光谱(UV-vis)表征薄膜形貌，通过自制OWG装置和四电极电导测量系统评估性能。关键发现包括：TPP薄膜在436 nm处Soret带红移证实H₂S诱导的质子化反应；OWG传感器通过折射率变化实现0.1 ppm NH₃检测(信噪比5.0)；化学电阻模式对H₂S/NO₂呈现n型半导体行为。

【Morphology and on–off sensing characteristics】
AFM显示TPP薄膜均方根粗糙度仅1.2 nm。UV-vis光谱中Soret带从418 nm(溶液)偏移至436 nm(薄膜)，暴露1000 ppm H₂S后进一步红移56 nm，Q带强度降低证实气体分子与中心氮配位。

【Planar OWG sensor】
K⁺离子交换层(1-2 μm)的波导结构在1050 rpm旋涂速率下获得最佳薄膜均匀性。35%相对湿度下，传感器通过质子化-去质子化循环实现NH₃可逆检测，响应/恢复时间分别为23 s和47 s。

【Conclusion】
研究阐明了OWG折射率变化与TPP电导率的关联机制：气体吸附改变分子堆积密度，进而影响介电常数。该工作为开发室温、低功耗有毒气体传感器提供了新思路，Gulimire Tuerdi等作者指出TPP的双重传感机制可拓展至其他氧化还原活性气体检测领域。