金属有机框架材料作为传感器：基于ZIF-8的法布里-珀罗器件用于化学蒸汽和气体的选择性传感

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摘要：
本文提出一种基于金属有机框架（MOF）的传感新方法，以ZIF-8为传感材料，制备透明薄膜并构建法布里-珀罗器件，通过监测材料折射率变化（体现为干涉峰位移）实现对化学蒸汽和气体的选择性传感。该方法无需分子级报告分子，且ZIF-8薄膜制备条件温和、厚度可控，对丙烷、乙醇等有响应，对环己烷、水蒸气无响应，乙醇检测限约0.3体积%（对应蒸汽浓度约100 ppm）。

研究背景：
1.行业问题和研究现状：MOF因高比表面积、均匀通道等特性具传感潜力，但信号转导难（空腔小难修饰报告分子），现有MOF传感研究少，多依赖框架发光及荧光猝灭实现信号转导。
2.本文创新：绕开分子级报告分子，利用MOF宏观折射率变化，将ZIF-8制成透明薄膜构建法布里-珀罗器件，通过监测干涉峰能量变化实现传感；开发温和、快速、厚度可控的ZIF-8薄膜制备方法（室温、约100nm/30分钟、无需特殊表面修饰）。

实验部分：
1.ZIF-8薄膜制备：玻璃/硅片经食人鱼溶液清洗、水洗、氮气干燥；制备25mM硝酸锌和50mM 2-甲基咪唑甲醇储备液；将基底浸入10mL两种储备液混合液30分钟，甲醇清洗、氮气干燥，重复可增厚（每循环约100nm，首循环约50nm）。
2.QCM监测薄膜生长：QCM金电极经双氧水-氨水-水混合液处理、清洗干燥；装入 holder 浸入70mL硝酸锌溶液，平衡后加70mL 2-甲基咪唑溶液，监测频率和质量变化，30分钟反应完成。
3.气/蒸汽传感测试：气体测试：10循环ZIF-8薄膜置于铝制池，通氮气，用质量流量控制器混气（总流速100mL/min），测UV-vis透射光谱；蒸汽测试：比色皿加50μL溶剂，薄膜固定于塞子放入（不接触溶剂），测UV-vis光谱。

分析测试：
1.XRD：薄膜XRD证实为ZIF-8结构；变温XRD（25-350℃）显示热稳定性；粉末XRD与模拟一致。
2.SEM与EDXS：SEM显示薄膜厚度随循环增加（1循环约50nm，10/40循环对应增厚）；EDXS mapping 显示Zn分布，高电压致膜开裂。
3.FT-IR：40循环ZIF-8薄膜有特征峰（如1623、1585cm⁻¹等），证实结构。
4.TGA：ZIF-8粉末在空气氛围下热稳定，随温升高缓慢失重。
5.氮气吸附：BET比表面积1530m²/g，SF法测微孔体积0.59cm³/g。
6.UV-vis：暴露于丙烷（1atm）干涉峰移49nm，乙醇移对应体积分数0.25，水无响应。

总结：
1.主要研究结果：成功制备可控厚度ZIF-8薄膜，构建的法布里-珀罗器件对特定气/蒸汽有选择性响应，测得当量体积分数与检测限。
2.创新突破：提出基于MOF折射率变化的传感新策略，开发简易ZIF-8薄膜制备法。
3.潜在意义：为MOF传感提供新方向，可用于气体检测等领域，具应用前景。

Metal-Organic Frameworks as Sensors: A ZIF-8 Based Fabry-Pérot Device as a Selective Sensor for Chemical Vapors and Gases
文章作者：Guang Lu and Joseph T. Hupp*
DOI：10.1021/ja101415b
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja101415b

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