基于湿法纺丝的空心荧光纤维传感器：用于苯系物监测的”Turn-on”响应、可回收及防水性能研究

一、研究团队与发表信息
本研究由常州大学石化工程学院Chunyan Xu、Xiaoyan Zhao（通讯作者）、Chenyi Wang、Xiao Zhu及东华大学材料科学与工程学院Hengxue Xiang（通讯作者）合作完成，发表于ACS Appl. Polym. Mater. 2024年第6卷，出版日期为2024年8月12日。

二、学术背景
苯系物（苯、甲苯、二甲苯等）广泛存在于印刷、装饰材料、合成橡胶等领域，其挥发性强且具有神经毒性，易引发光化学烟雾污染。传统检测方法如气相色谱（GC）需使用易燃有毒的二硫化碳（CS₂）解吸，操作复杂且风险高。荧光传感器因其高灵敏度、选择性及可视化优势成为研究热点，但现有材料在稳定性、便携性和重复使用性上存在局限。本研究旨在开发一种兼具高灵敏度、防水性和可回收性的空心荧光纤维传感器，用于苯系物的实时监测。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料选择：以含芘基团的聚酰亚胺（Polyimide, PI）为荧光聚合物，通过湿法纺丝（wet-spinning）技术制备空心纤维。聚酰亚胺因其优异的热稳定性、机械强度及化学惰性被选为基础材料。
- 纺丝工艺：调整针头内径（0.60–2.68 mm）、进料速度（45–95 mL/h）、凝固浴温度（25–35°C）等参数，制备四种不同结构的纤维（PF-I至PF-IV）。PF-IV通过优化参数获得薄壁（100 μm）空心结构，比表面积达5.61 m²/g。
- 结构表征：通过扫描电镜（SEM）观察纤维表面与截面形貌，发现PF-IV具有致密外层和多孔内层，形成气体扩散通道。

1. 性能测试

   • 荧光特性：紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）显示纤维在360 nm处有最大吸收峰，光致发光（PL）光谱显示570 nm处黄色荧光发射。PF-IV因分子链取向规整（通过偏振红外光谱证实）表现出最强荧光强度。
     
   • 机械性能：PF-II断裂伸长率达76.01%，PF-III拉伸强度为21.29 MPa，空心结构未显著降低力学性能。
     
   • 防水性：纤维表面接触角测试表明，倾斜40°时水滴可在5秒内滑落，相对湿度（RH）40–80%下荧光稳定性良好。

2. 苯系物检测

   • 吸附实验：采用智能重量分析仪（IGA-100B）测定PF-IV对甲苯、二甲苯和苯乙醇的吸附等温线。甲苯因分子尺寸小、扩散快，吸附量最高。
     
   • 荧光响应：苯系物通过π-π堆积与纤维相互作用，引发荧光增强效应（Turn-on响应）。甲苯在500 ppb、二甲苯和苯乙醇在400 ppb时均出现显著荧光增强，响应时间分别为25分钟和10分钟。
     
   • 循环使用：乙醇洗涤后，纤维可重复使用6–7次，荧光强度恢复率超过90%。

四、主要结果
1. 结构优化：PF-IV的空心结构（直径990 μm，壁厚100 μm）兼具高比表面积和气体渗透性，为苯系物吸附提供通道。
2. 检测灵敏度：甲苯检测限低至500 ppb，荧光强度与浓度呈线性关系（R²=0.9975），可通过手机软件实时记录数据。
3. 环境稳定性：在pH 7中性条件下荧光响应最佳，温度升至333 K时荧光寿命从2.9 ns降至1.9 ns，仍保持42.4%的强度。
4. 机制解析：苯系物与芘基团的π-π共轭降低能级差，导致荧光红移；吸附过量后因分子聚集引发荧光猝灭。

五、研究意义
1. 科学价值：首次将湿法纺丝空心纤维与芘基荧光团结合，阐明苯系物诱导的Turn-on响应机制。
2. 应用价值：提供了一种便携、可视化且可重复使用的苯系物监测方案，适用于工业泄漏预警和户外环境检测。

六、研究亮点
1. 技术创新：通过湿法纺丝一步法制备空心荧光纤维，避免电纺（electrospinning）的溶剂挥发和熔融纺丝（melt-spinning）的高温损伤。
2. 性能优势：兼具防水性（接触角>90°）、机械强度（拉伸强度>13 MPa）和循环使用性（6次以上）。
3. 检测便捷性：荧光增强效应支持裸眼观察，配合手机软件实现实时数据分析。

七、其他发现
研究还发现，苯乙醇因羟基与聚酰亚胺的氢键作用，吸附后出现双荧光峰（500–650 nm），为多组分检测提供潜在可能。