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综述： VOC气体的光学检测方法及功能化传感材料
2025-09-13 16:06:01 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本文全面分析了用于VOC气体检测的各种光学传感器，并重点关注了它们所使用的功能化材料。该文分为六个部分，根据用于VOC气体检测的光学现象分别涵盖了多种传感器，讨论了每种传感方法的灵敏度、局限性和优势，为先进VOC气体检测技术的进一步发展提供了宝贵见解。

随着人们日益关注挥发性有机化合物（VOC）对人类健康的有害影响及其在疾病筛查中的潜力，针对VOC气体的有效检测方法的需求正在持续增长。光学传感器凭借出色的多功能性、快速响应性以及适用远程检测等特点而备受青睐。

据麦姆斯咨询介绍，都柏林理工大学和鲁汶大学的研究人员近期在Advanced Optical Materials期刊上发表了一篇题为“Optical Detection of Volatile Organic Compounds: A Review of Methods and Functionalized Sensing Materials”的综述性论文。该文全面分析了用于VOC气体检测的各种光学传感器，并重点关注了它们所使用的功能化材料。该文分为六个部分，根据用于VOC气体检测的光学现象（衍射、干涉、偏振变化、光学共振、吸收和倏逝波传播）分别涵盖了多种传感器，讨论了每种传感方法的灵敏度、局限性和优势，为先进VOC气体检测技术的进一步发展提供了宝贵见解。

用于VOC气体检测的光学传感器分类

采用周期性结构衍射的传感器

光波的衍射是指光波在障碍物或孔的边缘，或由于传播介质折射率变化而发生传播方向变化的现象。当光照射到周期性结构（例如衍射光栅或晶格）时，衍射现象很容易被观察到。所谓光子晶体（PhC）的周期性导致结构散射光在特定角度或波长（即光子带隙）上产生相长干涉，从而形成离散的衍射级次或布拉格峰。

研究人员在该部分探讨了基于衍射换能器的光学VOC传感技术：类蛋白石晶体、光纤内周期结构以及非集成光波导的1D光子晶体、表面和体积光栅，并详细总结了每种方法所使用的材料以及所达到的灵敏度。值得注意的是，通过在结构良好的2D结构中引入缺陷所形成的2D腔体。它们可以应用于VOC传感，受益于光子约束的能力，增强材料与光场之间的相互作用，并且通常结合共振效应。

2D衍射光栅示例

基于干涉的传感器

干涉是相干电磁波叠加的结果。由于两束传播波的相位差，在空间重叠处会出现光强的增强或减弱。在大多数情况下，当两束平面波叠加时，干涉图样呈现为明暗条纹，光强在条纹法线方向上呈正弦调制。当存在分析物时，波之间的相位差可能发生改变，从而导致观察到的条纹图样发生偏移。类似于衍射型传感器，干涉型VOC传感器依赖于分析物引起的折射率变化或传感层膨胀，这些变化会改变光程长度，并导致可测量的条纹偏移或光强调制。

干涉现象的产生和实现需要干涉仪。干涉仪的可能配置范围很广，但两种最广泛用于VOC传感的是Fabry-Pérot干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪。此外，该论文还讨论了Sagnac干涉仪和Pohl干涉仪，以及反射干涉光谱。在VOC气体检测较少使用的干涉技术中，Fizeau干涉仪和rugate滤波器也已得到验证。

Fabry-Pérot干涉仪用于VOC传感

利用倏逝波传播的传感器

自1970年代开发出用于长距离光传输的低损耗光纤以来，光纤在现代通信中发挥着关键作用。随着电信行业光纤及光纤组件的发展，光纤在很多应用领域的传感潜力也获得了大力开发，其中包括VOC传感。

迄今，以开发出多种光纤改性方法，使光纤传感探头能够有效地与周围环境相互作用。许多光纤传感器通过光纤拉锥、蚀刻去除光纤包层以及利用U形或D形光纤结构，将大部分倏逝场暴露于待测环境中。这类传感器被称为倏逝波（EW）光纤传感器。迄今为止，已开发出多种类型的EW光纤传感器，它们采用了各种类型的敏感涂层，以提高传感器的灵敏度和选择性，并降低检测限（LOD）。根据传感器探头中光学纤维结构的类型，EW传感器可以分为无包层、D形、U形和锥形传感器。

D形光纤传感器概念示意图

利用光吸收的传感器

纳米多孔主体对发光客体的限域效应

“LG@MOF”的概念涉及将发光客体（荧光染料或荧光团）限域在多孔主体中，主体包括多种金属有机框架（MOF）结构。MOF多样的结构和物理性质，以及它们丰富的化学亲和性（包括极化率、疏水性或亲水性），为构建高灵敏度、高选择性光致发光传感器提供了平台。

基于光开关客体的固态光致变色

光致变色材料的颜色或色度可以通过光刺激来调节，这种现象涉及光致异构化过程，在移除光刺激后可逆。将光致变色材料封装在多孔固体（例如MOF、COF、MOP笼）中，为提高所得固态复合体系的光疲劳抗性和光开关效率提供了一种有效途径。通过将限域的光致变色材料嵌入合适的聚合物基体中，可以进一步增强光致变色薄膜的光稳定性和机械耐久性。

基于聚集诱导发光（AIE）的多刺激光学传感器

表现出聚集诱导发光（AIE）的材料在高浓度状态下会发出更强的光。这类AIE材料被称为AIE发光体或AIEgen。在聚集状态下，AIEgen的辐射增强可归因于相邻分子中旋转苯环的分子内运动受限。这一独特现象使得增强型AIE传感器在受到物理或化学刺激时，其发光强度会增强。当与静电纺丝技术结合时，制备基于AIE的聚合物纤维和高表面积多孔膜，将AIE材料的实际应用扩展到VOC荧光传感、固态白光发射、机械发光以及用于化学传感的智能织物。

基于光学各向异性材料与结构的的光学传感器

光学各向异性材料或结构在存在目标分析物（VOC）时会改变特性，能够检测通过光学各向异性材料或结构中探测光束偏振状态变化的传感器，是一种很有前景的VOC气体检测方法。1999年报道的一个早期实例展示了这种方法的潜力。研究人员在两个偏振片之间使用向列型液晶来检测对二甲苯和邻二甲苯。测量结果表明，液晶的双折射和相变可以用于VOC传感。

气体暴露下，化学功能化表面上液晶的取向转变

通过光学共振现象检测VOC

当合适波长的电磁波照射含有自由电子（主要是金属）的纳米结构时，电磁波会诱导纳米结构中自由电荷的周期性振荡。这些振荡导致局部电场发生变化，形成等离子体波。这种效应已被用于生物、化学和气相传感应用。这些传感应用利用了等离子体波的两种特性：由介电环境变化决定的等离子体峰位移，以及各种光谱技术的表面增强。

等离子体传感方法示意图

荧光、红外、发光和拉曼等光谱技术在增强电场中表现出更高的灵敏度，因此通常被称为表面增强技术。表面增强拉曼散射（SERS）在气相传感应用中尤具吸引力，因为它能生成分析物的特征指纹，从而提高选择性。因此，SERS是目前报道的用于VOC传感最常用的表面增强方法。

基于光纤的等离子VOC传感

结论

光学检测方法已成为VOC气体检测技术中一个庞大且重要的分支。本文根据所利用的光学现象对VOC光学传感器进行了分类，并讨论了用于增强其响应的功能化材料。大多数光学传感方法的主要优势包括快速响应时间、室温操作、紧凑且经济的电子元件、易于操作、可集成光纤从而实现远程传感、抗电磁场干扰、进一步提高灵敏度的可能性，以及由于功能化材料的多功能性而开发的传感器阵列。

各类光学VOC传感器中的功能化材料