基于CdSe-ZnS核壳量子点掺杂聚合物平面微腔的无标记蒸汽传感研究

这篇研究创新性地开发了基于聚(N-乙烯基咔唑)/醋酸纤维素分布式布拉格反射镜(DBR)和CdSe/ZnS量子点(QDs)掺杂缺陷层的聚合物微腔(MC)传感器。通过双信号检测（透射光谱和光致发光(PL)），实现了对二氯甲烷、乙醇和1-丁醇等挥发性有机物(VOCs)的高灵敏度识别。该传感器利用聚合物层溶胀引起的光子带隙(PBG)红移和量子点荧光重分布效应，无需特定受体即可实现广谱选择性检测，为环境污染物监测提供了新型解决方案。

　　

Abstract

挥发性有机化合物(VOCs)作为广泛存在的空气污染物，对人类健康和生态系统构成持续威胁。本研究提出了一种基于聚合物微腔的双模式光子传感器，通过交替沉积醋酸纤维素(CA)和聚(N-乙烯基咔唑)(PVK)构建分布式布拉格反射镜(DBR)，并在缺陷层掺杂CdSe/ZnS核壳量子点(QDs)。该传感器通过透射率和光致发光(PL)变化的独特特征，实现了对气相有机化合物的特异性识别。

1 INTRODUCTION

VOCs监测面临便携式设备仅能定量已知污染物的技术瓶颈。传统DBR传感器虽能通过聚合物溶胀引起光子带隙(PBG)位移实现检测，但宽光谱特征限制其灵敏度。本研究将DBR升级为平面微腔(MC)结构：两个DBR中间插入含QDs的聚苯乙烯(PS)缺陷层，形成尖锐的腔模。当λ_PBG遵循布拉格-斯涅尔定律位移时，QDs荧光在腔模处增强而在PBG处抑制，产生双重光学指纹。

根据弗洛里-哈金斯理论，聚合物-分析物相互作用参数χ= V^M?δ²/RT决定了分子扩散动力学。如表1所示，二氯甲烷(DCM)与PVK/PS的χ值最低(0.001-0.02)，而乙醇(χ_CA=0.09)和1-丁醇(χ_CA=0.07)更易溶于CA。这种差异化的亲和力为无标记选择性检测奠定了基础。

2 RESULTS AND DISCUSSION

材料表征

PS/QDs薄膜显示614 nm荧光峰(半高宽39 nm)，相较于甲苯溶液蓝移5 nm。连续激光照射1小时出现荧光增强现象，归因于量子点表面陷阱态减少。微腔透射谱显示PBG(550-620 nm)和585 nm腔模，QDs荧光在623 nm处被腔模调制形成双峰结构。

蒸汽响应动力学

DCM检测：14分钟内PBG红移52 nm至590-660 nm，腔模移至637 nm。PL光谱呈现602/632 nm双峰，前者强度增加70%。模拟计算证实PVK层同步溶胀特性(图3)。

乙醇检测：1小时后PBG展宽至640-740 nm，腔模消失。PL先红移后被PBG抑制，最终恢复初始线型，反映CA层梯度溶胀导致的暂时性结构无序。

1-丁醇检测：6小时响应中观察到独特的两阶段现象：初期30分钟PBG蓝移(聚合物塑化)，随后红移并重建周期性结构。PL在610 nm处出现长波肩峰，与PBG交叠产生特异性光谱指纹。

选择性机制

三种分析物在30分钟时的PL特征差异显著：DCM产生双峰(602/632 nm)，乙醇为617 nm单峰，1-丁醇则显示610 nm主峰伴长波肩峰。这种差异源于：

1. 分子体积效应：1-丁醇(V^M=151.9 ?³)扩散最慢
2. 极性差异：乙醇(δ_tot=26.52 MPa^1/2)与CA强相互作用
3. 蒸汽压梯度：DCM(57.98 kPa)最快达到饱和

3 CONCLUSION

该研究开创性地将聚合物MC与QDs结合，通过DBR溶胀位移和荧光调制双通道实现VOCs检测。相较于传统DBR，MC结构将检测限降低10倍以上，且PL信号的信噪比提升3个数量级。未来通过机器学习分析多维光学指纹，可进一步拓展其在环境监测和工业安全领域的应用。

4 EXPERIMENTAL SECTION

微腔采用旋涂法制备：PVK(甲苯溶液，28 mg mL^-1)与CA(4-羟基-4-甲基-2-戊酮溶液，31 mg mL^-1)交替沉积30个周期，QDs/PS缺陷层(2.5/27 mg mL^-1)通过原子力显微镜(AFM)确认厚度为141±18 nm。光学测试采用448 nm激光激发，通过25°角双光纤系统同步采集透射和荧光信号。