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化学所利用有机纳米光子学材料实现高效化学气

发布时间:2019-07-15 21:15编辑:化学科学浏览(92)

    光波导传感器具有普通传感器无法比拟的灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、便于集成等优点,在气体与生物传感中扮演着越来越重要的角色。化学所光化学院重点实验室的科研人员近年来一直致力于低维有机光子学方面的研究(Acc. Chem. Res., 2010, 43, 409-418),围绕光子学集成器件中所需要的光波导(Adv. Mater. 2011, 23, 1380-1384)、微纳光源(J. Am. Chem. Soc.,2011, 133, 7276-7279)、光子路由器(J. Am. Chem. Soc.,2012, 134, 2880-2883)等开展了一系列探索工作。近来他们又在有机纳米材料电化学荧光上转换方面取得突破(Chem. Commun., 2012, 48, 85-87)。相关工作证实了低维有机材料在纳米光子学领域的巨大潜力,为实现有机纳米光子学传感器件奠定了基础。

    纳米光子学主要研究如何在微纳米尺度上对光子运动进行操纵、调节和控制,在未来信号传播和信息处理方面具有广泛的应用前景。有机材料中的Frenkel激子具有高的激子结合能,能够与光子耦合形成稳定的激子极化激元(Exciton Polariton, EP)。这种激子光子强耦合作用对有机纳米线体系中光波导行为和发光调制谐振等方面有着重要的作用。化学所光化学院重点实验室的科研人员近年来一直致力于低维有机光子学方面的研究工作(Adv. Mater., 2008, 20, 1661-1665; Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7301-7305),探索了有机单晶纳米材料的低损耗波导与受激发射性质。

    最近,在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和化学所的大力支持下,科研人员在前期工作的基础上,通过超分子自组装方法制备出二元有机复合纳米带,利用荧光共振能量转移中受体的杠杆效应,制备出高效的酸碱气体传感器。进一步,他们将有机金属配合物的单晶纳米线引入电化学发光传感体系,实现了对生物分子多巴胺的高效、灵敏的检测,相关工作发表于近期的《先进材料》上(Adv. Mater.,2012, 24, 4745-4749)。

    最近,在国家自然科学基金委、科技部、中国科学院和化学所的支持下,科研人员在前期工作的基础上制备了三重态敏化剂均匀掺杂的有机纳米波导材料,通过激子极化激元传播过程中的双向能量转移,实现了稳定白光耦合输出的光波导器件 (Adv. Mater., 2011, 23, 1380-1384)。该工作证实了有机低维材料的波导过程中存在Frenkel激子与光子的耦合,为实现基于激子极化激元的有机光子学器件奠定了基础。进一步以阳离子表面活性剂为模板,诱导双光子荧光分子自组装,形成了四方截面的有机纳米线。通过测量有机纳米线微腔中Fabry-Pérot型发光光谱和模拟激子激元谐振模型下的电场强度分布,研究了其中激子极化激元传播并发生谐振的行为,同时实现了双光子泵浦的有机纳米线激光器(J. Am. Chem. Soc.,2011,133, 7276–7279)。相关研究结果为实现有机纳米光子学器件提供了新的思路。

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    图1 基于低维有机纳米材料的电化学发光传感器,可实现对生物分子多巴胺的高效、灵敏检测。

    有机纳米线中激子激元传播与能量转移示意图

    在此基础上,研究人员与活体分析化学实验室合作,制备出有机核/壳纳米结构作为光波导传感器,利用核壳之间的消逝波耦合有效地放大了波导材料对气体的响应,实现了对H2O2气体的快速、高灵敏、高选择性的原位检测,相关结果发表于近期的《先进材料》(Adv. Mater.,2012, 24, OP194-199),被邀请作为旗下即将出版的《先进光学材料》的内封面文章重点介绍。

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    有机纳米线激子激元谐振腔中的电场分布

    图2 封面文章:有机核壳纳米线用于快速、灵敏、高选择性的光波导气体传感器。

    光化学院重点实验室

    光化学院重点实验室

    2011年5月20日

    2012年9月18日

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