近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所能源材料與器件制造研究部蔣長龍研究員團隊在新型MOF復(fù)合納米纖維傳感器的設(shè)計制備及痕量水高靈敏實時檢測方面取得新進展，相關(guān)研究成果以“Reversible Flexible Functional Metal-organic Frameworks Sensor with Artificial Intelligence Data Analysis for Real-time Trace Water Monitor”為題發(fā)表在國際期刊Chemical Engineering Journal (Chem. Eng. J., 2025, 526, 170841) 上。
精準(zhǔn)測量痕量水不僅是環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更是保障現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)質(zhì)量控管、提升生產(chǎn)效能的根本前提。發(fā)展高靈敏、快速響應(yīng)的水分傳感器，對提升技術(shù)水平、保障質(zhì)量安全、節(jié)約能源資源具有不可替代的重要價值。然而，在ppb級極低濃度下，水分子信號極其微弱，且其強極性與吸附性導(dǎo)致水分傳感器響應(yīng)與恢復(fù)速度緩慢，難以滿足工業(yè)應(yīng)用的快速、實時檢測的應(yīng)用需求。同時，傳感器敏感材料易受環(huán)境溫度波動和復(fù)雜背景的交叉干擾，嚴(yán)重影響了長期測量的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。此外，高性能傳感器敏感材料的制備工藝復(fù)雜、成本高昂，嚴(yán)重制約了水分傳感器的規(guī)模化應(yīng)用。
鑒于此，研究團隊通過一步水熱合成策略，成功制備出具有內(nèi)在雙色熒光特性的MIL-101-NH2（Eu）金屬有機框架（MOF）材料，不僅有效避免了環(huán)境和其他有機溶劑的干擾，而且還可以觀察到痕量水引發(fā)的熒光顏色變化，從而實現(xiàn)可視化檢測。通過將鑭系金屬離子和 BDC-NH2作為前驅(qū)體材料引入MOFs結(jié)構(gòu)中，鑭系金屬離子（Eu3+）的特征紅熒光可以通過天線效應(yīng)得到增強。配體-水結(jié)構(gòu)有利于激發(fā)態(tài)下從給體單元到受體單元的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，削弱天線效應(yīng)，從而顯示出配體的藍色熒光。因此，所制備的熒光傳感體系展現(xiàn)出較低的檢測限。在此基礎(chǔ)上，將該MOF材料與羧甲基纖維素相結(jié)合，通過原位生長方式構(gòu)筑了一種高性能MOFs@纖維素納米纖維膜傳感器。該傳感器在水分檢測中表現(xiàn)出高靈敏度、可視化熒光檢測與快速響應(yīng)能力，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。
此外，研究團隊還融入了深度學(xué)習(xí)算法，進一步提升了檢測的準(zhǔn)確度與靈敏度，為智能傳感系統(tǒng)的優(yōu)化提供了新思路。相關(guān)研究工作為開發(fā)具有可調(diào)光學(xué)特性的功能化納米纖維傳感器提供了一種可靠、經(jīng)濟、環(huán)保的新途徑，在環(huán)境監(jiān)測、防偽技術(shù)與智能穿戴設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
項目副研究員林丹為論文第一作者，蔣長龍研究員為通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、安徽省自然科學(xué)基金的支持。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725116860
圖1.鑭系熒光MOF材料合成路線及表征
圖2. MOFs@纖維素?zé)晒饽ぴ诠腆w藥物儲存、室內(nèi)濕度監(jiān)測及管道運輸中的應(yīng)用展示
圖3. 基于深度學(xué)習(xí)的識別系統(tǒng)
