该研究由土耳其Balıkesir大学物理系的I. Çapan（通讯作者）、M. Erdoğan，安卡拉大学工程物理系的Ç. Tarımcı，以及英国谢菲尔德哈勒姆大学材料与工程研究所的A.K. Hassan合作完成，发表于2009年的期刊《Materials Science and Engineering C》（卷29，页码1114-1117）。研究聚焦于材料科学与传感器技术领域，旨在开发一种基于蒽标记聚甲基丙烯酸甲酯（anthracene labelled PMMA, Ant-PMMA）的有机蒸气传感薄膜，并系统表征其性能。

学术背景

随着环境监管日益严格，气体传感技术的研究需求激增，尤其是对响应快、选择性好的敏感材料的需求。蒽（anthracene）因其低成本、可修饰性强及优异的光物理特性（如强吸收、高量子产率），已被广泛应用于分子识别领域（如阴离子传感器、葡萄糖传感器）。另一方面，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为传感材料，其薄膜对多种挥发性有机化合物（VOCs）表现出良好的检测潜力。本研究首次将蒽与PMMA结合，通过旋涂法制备薄膜，并利用表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）技术探究其蒸气传感性能，同时结合紫外-可见光谱（UV-Vis）、原子力显微镜（AFM）和光谱椭偏仪（Spectroscopic Ellipsometry, SE）进行多维度表征。

研究流程与实验方法

1. 材料制备与薄膜沉积
   研究使用三种不同分子量（12,800、21,700、28,900 g/mol）的Ant-PMMA聚合物（分别标记为Ant1-PMMA、Ant2-PMMA、Ant3-PMMA），以氯仿为溶剂配制2 mg/mL的溶液。通过旋涂法（2000 rpm，30秒）在三种基底上成膜：

   • SPR测试：预先镀金的玻璃基底；
     
   • AFM与SE测试：硅基底；
     
   • UV-Vis测试：石英基底。
     薄膜厚度通过SE和SPR数据拟合菲涅尔方程确定，平均厚度为6-8 nm。

2. 薄膜表征

   • UV-Vis光谱：薄膜在256 nm处显示蒽的特征吸收峰，且吸光度与旋涂速度呈指数关系（图1），验证了厚度可控性。
     
   • AFM分析：Ant2-PMMA薄膜表面呈现均匀多孔结构（孔径约34 nm），均方根粗糙度（RMS）为0.642-0.819 nm（图2），表明薄膜具有良好的均匀性。
     
   • SPR与SE厚度验证：两种方法测得的厚度结果一致（表1），SE拟合厚度分别为6.12 nm（Ant1）、6.02 nm（Ant2）、8.69 nm（Ant3）。

3. 蒸气传感性能测试
   采用SPR技术检测薄膜对苯、正己烷和氯仿蒸气的响应：

   • SPR曲线偏移：蒸气吸附导致共振角位移（如氯仿饱和蒸气下偏移0.43°），归因于薄膜溶胀（厚度变化）或折射率改变（图3）。
     
   • 动力学响应：薄膜在2分钟内响应蒸气，并在干燥空气冲洗后快速恢复（图4），响应时间仅数秒。
     
   • 分配系数（fpg）与灵敏度：通过溶度参数（solubility parameter）和摩尔体积分析，苯（溶度参数18.7 MPa¹/²，与PMMA接近）的分配系数最高（Ant2-PMMA达925），灵敏度为3.12×10⁻⁴ %/ppm（表2）；正己烷因溶度参数差异大（28.7 MPa¹/²），响应最低。

主要结果与逻辑关联

• 结构表征：UV-Vis和AFM证实薄膜均匀性，SE与SPR数据验证了厚度可控性，为传感性能研究奠定基础。
  
• 蒸气响应机制：SPR曲线偏移表明蒸气分子渗透导致薄膜溶胀，且恢复性良好（图3）。苯的高灵敏度归因于其与PMMA相近的溶度参数和小摩尔体积（易于渗透）。
  
• 定量分析：校准曲线（图5）显示Ant3-PMMA对苯的灵敏度最高（8.64×10⁻⁴ %/ppm），支持了溶度参数理论的适用性。

结论与价值

该研究成功开发了Ant-PMMA旋涂薄膜，其厚度可控、结构均匀，并对苯蒸气表现出高选择性和灵敏度（检测限达数ppm）。科学价值在于揭示了溶度参数和摩尔体积对蒸气传感性能的影响机制；应用价值体现在为环境监测提供了低成本、高性能的有机蒸气传感器候选材料。未来可通过优化薄膜厚度和分子量进一步提升性能。

研究亮点

1. 创新材料设计：首次将蒽标记PMMA用于SPR蒸气传感，结合了蒽的光学特性与PMMA的成膜优势。
   
2. 多方法协同表征：通过UV-Vis、AFM、SE和SPR全方位验证薄膜性质，数据相互佐证。
   
3. 机制深入解析：从溶度参数和分子尺寸角度解释了蒸气选择性响应的内在原因。
   
4. 快速响应与恢复：薄膜在秒级时间内完成响应-恢复循环，优于传统传感器。
   

其他价值

研究提出的分配系数计算模型（公式2）为定量分析蒸气-聚合物相互作用提供了新方法，后续可扩展至其他聚合物传感体系。