基于荧光传感技术对多组分混合物中苯、甲苯和二甲苯的同时定量检测研究

作者及机构
本研究由俄罗斯科学院的D. Ionov（通讯作者）、G. Yurasik、Y. Kononevich、V. Sazhnikov、A. Muzafarov和M. Alfimov团队共同完成。研究团队来自以下机构：
1. 俄罗斯科学院光化学中心（Photochemistry Center of the Russian Academy of Sciences）
2. 俄罗斯科学院涅斯梅亚诺夫有机元素化合物研究所（A. N. Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds）
3. 莫斯科物理技术学院（Moscow Institute of Physics and Technology）
研究成果发表于2016年的Procedia Engineering第168卷，文章标题为《Simple fluorescent sensor for simultaneous selective quantification of benzene, toluene and xylene in a multicomponent mixture》。

学术背景

研究领域与科学问题

本研究属于环境监测与传感器技术领域，重点关注挥发性有机化合物（VOCs）的检测。苯（benzene）、甲苯（toluene）和二甲苯（xylene）（统称BTX）是常见的工业污染物，即使微量（ppb级）也可能对人体健康和环境造成严重危害。然而，在多组分混合物中对BTX进行选择性定量检测仍是一个技术难题。现有实验室设备往往成本高昂且操作复杂，而低成本传感器通常缺乏区分BTX组分的能力。

研究动机与目标

研究团队基于二苯甲酰甲基硼二氟化物（dibenzoylmethanatoboron difluoride, DBM-BF₂）的荧光特性，开发了一种新型传感器。DBM-BF₂可与芳香族化合物形成激发态复合物（exciplex），其荧光光谱会随BTX组分不同而变化。本研究的目标是：
1. 开发一种简单、低成本的荧光传感器，实现对BTX混合物中各组分的同时定量检测；
2. 提出一种基于光谱分解的数学模型，用于从复杂荧光信号中解析出各组分浓度；
3. 验证传感器在实际多组分混合气体中的性能。

研究方法与流程

1. 传感器设计与材料制备

传感材料：以硅胶微球为载体，表面吸附DBM-BF₂荧光分子（图2）。硅胶微球通过喷墨打印技术（基于微阀的定制打印机）均匀沉积在玻璃片上，形成薄膜。
特殊工艺：
- 添加0.7 wt%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）以提高材料稳定性；
- 采用脉冲检测方案（200 ms激发/200 s间隔）减少DBM-BF₂的光降解。

2. 实验装置与气体生成

传感器系统（图1）：
- 密闭实验舱内放置传感薄膜，通过光纤探头连接紫外LED（375 nm）和光纤光谱仪（USB-4000）；
- 气体混合物由渗透管系统动态生成，浓度范围0–60 ppm。

3. 光谱分析与数学模型

核心模型（公式1-3）：
假设荧光光谱 ( I ) 是DBM-BF₂及其与BTX组分的激发态复合物光谱的线性叠加：
[ I = f(I_0, [ci]) \cdot \sum{i=1}^m b_i \cdot s_i ]
其中：
- ( s_i ) 为DBM-BF₂与第i种组分的特征光谱（通过单组分校准获得）；
- ( b_i ) 为线性系数，与组分浓度 ( [c_i] ) 相关。

数据处理流程：
1. 通过最小二乘法求解矩阵方程，分解混合光谱（公式2）；
2. 利用校准曲线将分解结果转换为各组分的实际浓度（公式3）。

主要结果

1. 光谱特征与选择性

• 单组分响应：DBM-BF₂与BTX形成的激发态复合物具有独特荧光峰（图3插图）：
  
  • 苯：峰位约500 nm；
    
  • 甲苯：峰位约525 nm；
    
  • 对二甲苯：峰位约550 nm。
    
• 多组分检测：传感器能区分三组分混合物中各化合物的贡献（图5），计算浓度与真实浓度的偏差<10%。
  

2. 模型验证

• 矩阵 ( S )（由校准光谱构成）的条件数为30，表明数值求解可行；
  
• 通过三组分混合实验验证了模型的鲁棒性（图5）。
  

结论与价值

科学意义

1. 首次实现了基于单一荧光材料的BTX多组分同时定量检测；
   
2. 提出的数学模型可推广至其他基于激发态相互作用的荧光传感器。
   

应用前景

• 适用于工业排放监测、室内空气质量检测等场景；
  
• 低成本、小型化的设计易于商业化。
  

研究亮点

1. 材料创新：DBM-BF₂硅胶复合材料兼具高灵敏度和稳定性；
   
2. 算法突破：通过光谱分解避免了传统传感器的交叉干扰问题；
   
3. 工程实现：结合喷墨打印和脉冲检测技术，提升传感器实用性。
   

资助声明：本研究由俄罗斯科学基金会（项目编号15-13-00163）支持。