新一代用于乙醇检测的光学传感器 | 理学院Pavlos Savvidis团队发表最新成果

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西湖大学物理系 Pavlos Savvidis教授课题组开发出了新一代用于乙醇检测的光学传感器。近期，该研究成果以“Smart Photonic Indicator for Ethanol Detection via Pressure‐Responsive Shape Memory Polymers”为题，发表于期刊《SmartMat》。

不同于传统的光学传感器需要持续浸泡在液体分析物中，这一新开发的智能光子指示器（SPI）在液体蒸发后也能检测分析物。

理学院助理研究员Matin Ashurov 博士为文章第一作者，物理系教授Pavlos Savvidis为论文通讯作者。

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这种SPI由形状记忆聚合物（SMP）与光子晶体结构的蛋白石模具子件结合，受溶剂蒸发过程中产生的拉普拉斯压力和 SMP 弹性之间的相互作用驱动。它可以永久 "记忆" 其初始结构，由水激活（冷编程）显示。当SPI暴露在水中时，其光子晶格会坍塌并失去颜色；而当富含乙醇的溶液蒸发后，周期性光子晶格被重新激活，恢复鲜艳的结构色彩。这种可逆的室温过程使传感器特别适用于便携式实时可视的乙醇检测。

图1. SPI两种极端结构的示意图：乙醇蒸发后，周期性结构恢复，显示出明亮的光子晶体色；水激活的变形结构在室温下显示出透明的外观

水中乙醇浓度的增加后，SPI 薄膜的光谱产生变化，且肉眼可见。随着乙醇含量的增加，光子禁带（PSB）重新出现且红移，从而产生更明亮、更饱和的结构色。这些光谱变化来自拉普拉斯压力的降低，从而证实，乙醇可以触发结构恢复。实验结果显示，SPI在很宽的浓度范围内检测乙醇都具有很高的灵敏度和可靠性。通过改变大孔的尺寸，可以调整 SPI 的乙醇检测范围：孔径较大的 SPI（称为 SPI-350）可以检测到较低浓度的乙醇（低至 5%），而孔径较小的 SPI（称为 SPI-280）只在浓度较高时（通常在 50% 以上）反应。由于光子禁带的光谱偏移与拉普拉斯压力相关，因此灵敏度可调。这种可调节性有助于设计专门针对特定浓度范围或应用的传感器。

作者称，这种SPI 平台为新型比色工具（colorimetric tools）的发展奠定基础，它化学成分安全，可用于防伪、环境监测等领域的无纸化数据记录。除乙醇检测外，这种方法还可发展成为更多基于表面张力的光子系统，用于分子实时检测。

图2. SPI 薄膜用于乙醇检测的性能表现

由于SPI 的工作原理与液体表面张力有关，而非基于折射率，因此它具有出色的波段可选性和可逆性，因而能够区分化学性质相似的醇类，例如乙醇、甲醇和异丙醇等。

图3. 基于 SPI 的传感器具有可逆性以及波段可选性

“它相当于是基于光学原理的石蕊试纸，能测定水中乙醇浓度。只需要接触到液体，它就能记录下其中的乙醇浓度。”该研究第一作者 Matin Ashurov 博士说。

该研究得到科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目的资助。

课题组网站：

https://www.quantopt.cn/overview