[发明专利]基于发光MOFs的水凝胶光纤及其制备方法与传感装置

说明书

本发明公开了基于发光MOFs的水凝胶光纤及其制备方法与传感装置。所述制备方法将MOFs微晶粒均匀混合到水凝胶前驱体中，同时将水凝胶前驱体其分别注入到共轴双料筒中，通过挤塑法或生物材料3D打印机从料筒出口挤出具有合适尺寸的芯包结构圆柱体，将普通石英光纤一端共轴插入到挤出的芯包结构圆柱体侧面芯层中，固化后得到带普通光纤尾纤的水凝胶光纤。传感装置包括激发光光源、Y型光纤、延迟光纤、光纤连接处、水凝胶光纤、长通滤波片、荧光光谱仪和信号处理单元。本发明整体技术方案可构建实现全光纤化的高选择性荧光传感，进一步实现原位、实时、远程甚至活体的荧光探测和传感，提升发光MOFs材料的传感应用性。

技术领域

本发明涉及光纤荧光传感技术领域，尤其涉及基于MOFs的水凝胶光纤及其制备方法与传感装置。

背景技术

金属有机框架物（Metal-Organic Frameworks，简称MOFs），是由有机配体和金属节点通过配位键自组装形成的新型多孔材料，具有极大的比表面积和较低的成本，在传感识别、催化发光、信息存储等领域有着重要的应用前景。基于镧系稀土金属的发光MOFs材料是一类重要的有序晶态化合物，其在外界激发光作用下会产生荧光，荧光MOFs材料具有丰富的电子结构和优良的光物理性质（如特征发射峰尖锐、发光效率高等特点），在荧光传感方面具有检测速度快、灵敏度高、选择性好、稳定可靠等优点，成为新一代的理想荧光探针材料。各种各样的发光MOFs材料被开发出来，应用于如溶液离子、挥发性有机化合物、气体、爆炸物分子、生物分子等方面的高选择性传感。

尽管具有高选择性的发光MOFs荧光探测材料得到了广泛快速的发展，但在基于发光MOFs材料的荧光探测实际应用中，存在着严重阻碍其朝着实用化方面发展的问题。首先，绝大部分基于发光MOFs材料的荧光探测均是将制备得到的MOFs颗粒粉末浸泡在待分析物取样溶液中，或暴露在待分析的气体及蒸汽中，以及将其注射到活体细胞中等，再将这些制样置于荧光光谱设备下进行离线光谱测量分析。由于MOFs颗粒在取样溶液中的不均匀分布和无规律运动，以及MOFs粉末压片在气体环境中易被气流吹散等问题，会造成荧光光谱强度波动而使得测量不准确，同时也造成荧光探测材料易损导致寿命过短和难以回收二次利用导致的浪费等问题，研究人员提出制备MOFs薄膜或复合膜，实现MOFs颗粒原位生长在载体基底表面或构建MOFs颗粒与其他材料的复合膜，克服MOFs材料的粉末分散态造成不便测量和寿命短等应用问题（如已有发明专利201710667152.0，201511027933.0，201610751719.8等）。但构建工业化和商用化所需的强机械结合力、均匀和大尺寸化的MOFs膜仍然有着巨大的挑战。其次，基于MOFs材料的传感器并不能被直接布施于苛刻恶劣的真实应用环境中，因为荧光测量需要精密可靠的光路来实现激发光的导入和荧光的收集，绝大部分MOFs材料的传感演示均依赖于实验室平台上的大型商用荧光测量装备做离线取样测量，这种测量方法大大限制发光MOFs材料进一步实现原位、活体、实时和远距离等先进传感的功能。较具应用潜力的方案是基于MOFs材料集成光纤实现荧光传感，普通光纤被用于有效传输激光光和收集荧光，从而无需大型仪器的精密光路，发光MOFs材料生长或包裹在去包层光纤外径上（Sens. Actuators B: Chem. 2016, 232, 43-51），或长周期光纤光栅外径上（Sens. Actuators B: Chem. 2015, 221, 891-899），或光纤端面上（Opt. Lett.2016, 41, 1696-1699），但这些方案中依然存在导光效率低、发光MOFs材料与光纤机械结合力弱和MOFs模材料直接接触恶劣环境而寿命短等应用问题。

考虑到光学测量的整体性，发明全新的发光MOFs材料集成型渗透性光纤，可大大增强发光MOFs材料的环境适用性、激发光的注入和微弱荧光的收集，同时待分析物通过渗透作用可与渗透性光纤中的发光MOFs材料发生有效作用，可优化与提升发光MOFs材料的实际应用性。

发明内容