东华大学朱美芳院士团队廖耀组/张卫懿PPS综述：共轭微孔聚合物的先进化学传感应用

在快速发展的信息化时代，随着物联网与互联网等信息技术的蓬勃发展，传感技术在生活、家居、医疗、军事、交通等诸多领域中有着举足轻重的地位，欧美日等诸多发达国家都将传感技术列为关键核心技术之一。通常，各种传感器的研究进展很大程度上取决于新型传感材料的开发。高分子化学传感器因具有分子可设计性、高选择性、轻质和低工作温度等特点，弥补了其他传感器的不足，受到越来越多的关注。共轭微孔聚合物(Conjugated microporous polymers, CMPs)是一类具有可扩展的π共轭结构、孔径可调、比表面积高和分子可设计的新型多孔材料。这类材料因其可扩展的π共轭结构而产生独特的光电特性，能通过改变其固有荧光和导电性，进而用于检测各种化学物质。虽然，基于CMPs的化学传感器的研究正在快速发展，但目前尚缺少对CMPs化学传感研究现状和发展前景的全面概述。因此，系统总结基于CMPs的化学传感研究对于发展先进传感前沿应用具有里程碑的意义。

鉴于此，东华大学朱美芳院士团队廖耀祖研究员/张卫懿研究员近日在《Progress in Polymer Science》（2023年IF 27.1）发表了以“Conjugated Microporous Polymers for Advanced Chemical Sensing Applications”为题的综述论文，系统介绍了CMPs在传感应用方面的最新进展。作者从合成方法、结构设计、传感机制以及其先进传感应用的研究现状进行了分析与总结。本文重点阐述了基于CMPs的不同化学传感器在各个领域应用方面的相关成果，突显了基于CMPs传感材料的“结构-性质-功能”的关系。最后，作者讨论了基于CMPs的传感器目前存在的不足，未来面临的机遇和挑战，为进一步研究基于CMPs的化学传感提供了理论依据和重要参考。

1.CMPs传感材料的设计

通常，构筑具有化学传感特性的CMPs的合成策略与粉末状的CMPs的合成方法相似，通过金属偶联反应(如Yamamoto、Suzuki、Sonogashira反应)、席夫碱反应以及环化反应等键合不同拓扑序列(如C2、C3、C4 及 C6)共轭单体进行制备。综述中对典型的构筑单元和具体的合成策略进行了总结与对比。此外，为了满足复杂的实际应用场景，不同宏观形状(膜、纤维等)CMPs的合成策略也进行了归纳。精准的分子设计赋予了CMPs多种功能特性，有利于选择性的识别探测目标，使其在高选择性、高灵敏度和快速响应的化学传感材料中极具发展潜力与研究价值。

图一 用于构筑CMPs的典型的构筑单元

2. CMPs传感材料的分类及传感机理

根据传感机理的不同，可将基于CMPs的化学传感器分为荧光型、电化学型、比色型、电阻型和组合功能型传感器。综述中对这五种类型的传感器进行了分析与对比，并重点介绍了荧光型传感器。其传感机制可以归因于谐振能量转移、供受体间电子转移、吸收竞争淬灭效应以及协同作用等。虽然目前尚未有CMPs应用于电阻型传感器，但CMPs的固有特性使其有实现的可能，对于拓展CMPs的应用有重要的意义。

图二 五种传感器类型的示意图,包括(a)荧光(b)电化学(c)比色(d)电阻和(e)组合功能传感器

3. CMPs传感器的实际应用

通过利用CMPs的光电特性和孔径结构，可将CMPs拓展应用在先进传感领域(工业废气、爆炸物、金属阳离子、卤素、微生物污染物、有机污染物和生物诊断)，甚至将这些功能集成在一起构建组合功能传感器。综述中通过列举代表性的参考文献总结了不同应用场景的CMPs及其特点。目前，基于CMPs的化学传感器以用于检测爆炸物的荧光型传感器为主，其他类型的传感器发展还有很大的发展空间。

图三 基于CMPs的荧光传感器用于检测爆炸物

4. 总结与展望

近十五年来，基于CMPs的化学传感器迅速发展，并表现出了超强灵敏度，高选择性，快速响应/恢复速度，出色的长期稳定性以及优秀的循环性能。通过精准的分子设计，并利用其可扩展的π共轭结构(提高了激子迁移的能力)、自具微孔结构(利于分析物的扩散)和大的比表面积(改善主客体相互作用)，CMPs成功拓展到多种类型的不同场景的先进传感应用。作者相信CMPs在化学传感领域是一种极具有潜力的新兴多孔材料，在不久的将来可以被开发为更实用的气体传感器设备。

该论文第一作者为东华大学博士生何微思，通讯作者为东华大学廖耀祖研究员和张卫懿研究员，中国科学院院士朱美芳参与了论文讨论与撰写。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人计划、上海市曙光人才计划、上海市浦江人才计划、上海市自然科学基金、中央高校重点基金等经费支持。

论文信息：
Weisi He, Ju Duan, He Liu, Cheng Qian, Meifang Zhu, Weiyi Zhang, Yaozu Liao, Conjugated Microporous Polymers for Advanced Chemical Sensing Applications, Progress in Polymer Science, 2023,

DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2023.101770.

全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2023.101770

来源：高分子科学前沿

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