[发明专利]一种用于爆炸物蒸气检测的荧光薄膜光波导及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于爆炸物蒸气检测的荧光薄膜光波导及其制备方法，包括光波导本体，所述光波导本体的一面镀有反射层，其它各面均组装有荧光薄膜层；所述荧光薄膜层是由若干层复合层构成，所述复合层是由多聚赖氨酸层、芘磺酸层依次构成。通过调控多聚赖氨酸分子与芘磺酸分子相互作用，及多聚赖氨酸分子间相互作用间的平衡，对薄膜形貌进行调控；利用多层自组装产生的分子间隙以及其中的芘荧光基团，既有利于爆炸物分子在薄膜中的扩散，又有利于硝基缺电子特性与富电子芘基团吸附，引起荧光淬灭；同时，通过在光波导端面或背面镀反射膜，使得进入探测器的荧光信号变化量加倍，从而使得硝基爆炸物气体分子检测时具有更高的灵敏度和重现性。

技术领域

本发明属于爆炸物检测技术领域，具体涉及一种用于爆炸物蒸气检测的荧光薄膜光波导及其制备方法。

背景技术

随着信息化战争和多样化军事斗争手段的出现，地下、水下或地上隐蔽爆炸物，尤其是地雷、水雷、未爆军械或恐怖“包裹”，对战斗部队或居民构成严重威胁。尤其是，世界各地频发的恐怖爆炸事件，引起人们的极大恐慌，对社会安全稳定构成了严重危害。隐藏爆炸物的探测与清除是当前国际性军事难题，其中爆炸物的快速识别传感技术是关键。对爆炸物蒸气分子的痕量探测的需求快速增长，而目前的探测方法均存在局限。目前的探测传感技术包括离子迁移谱仪（IMS）、电化学法、化学阻抗法、色谱-质谱法（GC-MS）、MEMS技术等。其中，IMS和GC-MS技术灵敏度很高，但是受到成本、辐射源、仪器尺寸等限制，无法实现便携化、微型化。但这类设备的响应时间长，不太适合实时分析；并且需要专业人员进行操作，在污染或干扰取样环境中效率严重下降。化学阻抗技术具有成本低、便携等优点，但其无法达到需要的灵敏性和选择性。大部分化学阻抗传感器需要在高温（>150°C）下工作，导致其设备相对复杂、功耗严重。MEMS设备的选择性差。美国T. M. Swager等人报道了基于共轭聚合物荧光淬灭技术的爆炸物传感薄膜；国内上海微系统所也开发了一种对硝基化合物有传感功能的聚芴类荧光共轭聚合物。目前，荧光淬灭技术已成为非接触爆炸物蒸气探测领域中微型化、超灵敏、高选择的最有前景的新技术之一，常用的荧光材料有荧光小分子、荧光共轭聚合物和量子点。

芘分子作为一种多环芳烃小分子，早已被报道可以用于多种硝化炸药的检测（J.V. Goodpaster, V. L. McGuffin. Anal. Chem. 2001, 73, 2004-2011.）。中国科学院新疆理化技术研究所报道了一种含芘荧光纳米网状纤维膜，由还原氧化石墨烯、氨丙基三乙氧基硅烷、聚乙烯吡咯烷酮和芘，通过静电纺丝技术制成，通过检测纳米网状纤维膜荧光信号的淬灭量，实现了三硝基甲苯、2,4-二硝基甲苯、硝基苯和黑索金饱和蒸气的检测。陕西师范大学房喻教授团队在平面玻片表面利用3-(环氧丙氧基丙基)甲基二乙氧基硅烷(GPTS)改性，利用苯环做间隔，修饰上芘分子单层，实现了2，4，6- 三硝基苯酚溶液的检测。另外，该团队还报道了含芘共轭高分子荧光传感薄膜的制备方法，通过将1, 6 - 二(乙炔基)-芘与1,4 - 二(乙炔基 )-2, 5-二(十六烷氧基)-苯、1, 4-二碘-2, 5 - 二(十六烷氧基)-苯在合适条件下聚合，形成了含芘共轭高分子，然后通过旋涂法在矩形玻璃基片表面形成荧光膜，实现了对2，4，6- 三硝基甲苯、2，4- 二硝基甲苯、2，4，6- 三硝基苯酚三种硝基芳烃类爆炸物溶液的检测。这些工作的主要不足是不能同时探测蒸气相的硝基甘油（NG）、太安（PETN）、黑索金（RDX）和奥克托今（HMX）等脂肪烃类或碳氮杂环类常用爆炸物。

目前，在各类玻璃片表面旋涂荧光分子是最常用的传感薄膜制备方法。考虑到响应速率、再生效率等因素，荧光膜的厚度通常在纳米级别或者单分子层。然而，这些分子在无机衬底表面上成膜性差，膜表面均匀性差，重复性难以保证。已有报道利用构筑单层共轭聚合物膜、非芳烃类聚合物掺杂膜、电纺丝成膜、聚多巴胺改性衬底表面等方法，用于控制荧光薄膜结构，提高膜的表面均匀性，但仍存在一些不足。并且，这些方法和报道主要集中在平面结构上。对于圆柱形或圆管形光波导内表面、光栅光波导不同槽形表面，尚未有简单有效的方式控制薄膜结构。

发明内容