基于纳米多孔阳极氧化铝膜的高分辨率光学溶解氧传感器开发及其在水质监测中的应用

为解决传统溶解氧(DO)监测方法在实时性、稳定性和灵敏度方面的局限，研究人员开发了一种基于铂(II)四(五氟苯基)卟啉(PtTFPP)/溶胶-凝胶复合材料的纳米多孔阳极氧化铝(AAO)光学传感器。该传感器通过增强气-染剂相互作用，在AAO基底上实现了26.2的I0/I响应值，较玻璃基底提升4倍，为生态监测提供了高分辨率检测方案。

　　

水生生态系统的健康维系离不开溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)的精确监测，这种看不见的生命要素如同水下世界的"脉搏"，其浓度波动直接关系鱼类等水生生物的存亡。传统电化学传感器虽能实时检测，却受制于膜老化、氧消耗等问题；而光学传感技术虽具稳定性优势，但分辨率不足难以捕捉细微变化。更棘手的是，现有技术对养殖池塘等复杂水体的微氧变化响应迟钝，难以及时预警生态危机。

针对这一技术瓶颈，明志科技大学(Ming Chi University of Technology, MCUT)的Genanew Mulugeta Kassaw团队创新性地将纳米多孔阳极氧化铝(Anodic Aluminum Oxide, AAO)膜引入光学传感领域。研究人员通过将磷光指示剂铂(II)四(五氟苯基)卟啉(PtTFPP)嵌入溶胶-凝胶基质，并采用旋涂工艺分别制备玻璃基底和AAO膜传感器。令人振奋的是，这种"纳米陷阱"结构的传感器在8.4 mg/L氧饱和水中展现出26.2的I₀/I响应值，较平面玻璃基底提升302%，相关成果发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》。

研究团队运用三项核心技术：场发射扫描电镜(FESEM)表征AAO膜的200 nm孔径结构；稳态荧光光谱仪测定磷光强度比(I₀/I)；通过斯特恩-沃尔默(Stern-Volmer)方程分析动态/静态双重猝灭机制。特别值得注意的是，实验选用实际养殖池塘水样验证实用性，确保数据具有生态相关性。

【材料与试剂】
采用200 nm孔径的AAO膜作为三维载体，其60 μm厚度和贯通孔道结构经FESEM确认（图1a-c）。对比组选用常规玻璃基底，关键试剂包括PtTFPP磷光分子和n-辛基三乙氧基硅烷(C₈TEOS)前驱体。

【结构表征】
AAO膜的随机取向孔道将有效表面积提升15.8倍（相较平面基底），长程有序的直通道（图1b）促进氧气扩散。这种"纳米迷宫"结构使染料负载量增加，为磷光猝灭提供更多活性位点。

【性能测试】
在动态范围0-8.4 mg/L内，AAO传感器呈现显著非线性Stern-Volmer曲线，符合双常数模型I₀/I=(1+K_s[Q])(1+K_D[Q])。静态猝灭常数K_s达3.4 L/mg，表明AAO孔内形成了稳定的氧-染料复合物；动态常数K_D为2.1 L/mg，反映碰撞猝灭效率提升。实际水样检测时，传感器对0.2 mg/L DO变化产生可辨信号，分辨率满足养殖业需求。

【结论与展望】
这项研究开创性地证实了AAO膜在DO光学传感中的放大效应：其一，纳米孔道产生的限域效应增强了氧分子与PtTFPP的电子交换（Dexter能量转移）；其二，溶胶-凝胶基质在多孔结构中的均匀分布保障了信号稳定性。相较于传统电化学传感器需频繁更换膜组件的痛点，该器件在连续工作120小时后仅出现4.7%信号衰减。

正如通讯作者Sajal Biring强调的，这项技术为"缺氧死水"与"富氧气泡病"的早期诊断提供了新工具。未来通过集成微流控芯片，可发展便携式多参数水质监测系统。研究团队特别指出，AAO模板的孔径可调性（50-400 nm）为适配不同水体环境提供了设计弹性，这种"一材多用"特性展现出广阔的产业化前景。