一、研究背景

光学气体传感器在同时监测多种气体方面发挥着至关重要的作用，在医疗和环境监测中有着广泛的应用。由于在环境监测、医疗保健、工业和临床领域等各个领域对光学气体传感器的迫切需求，已经提出了许多气体传感器设备来检测特定气体，如氧气、二氧化碳和氨。在评估光学气体传感器的性能时，已经采用了几种分析方法，如荧光猝灭、相移、波长移以及荧光共振能量转移（FRET）引起的荧光寿命变化。

在过去的十年中，在发现和改进各种方法以创造简单、经济、实用的光学气体传感器设备方面取得了重大进展。这些方法包括滤纸涂层、玻璃基板、静电纺丝或同轴静电纺丝等技术。值得注意的是，同轴静电纺丝已经成为一种创新的、通用的、具有成本效益的方法，可以在聚合物基质中同时集成多种荧光染料。同轴静电纺丝技术的开始是由Loscertales等人在2002年推出的同轴静电纺丝装置将水封装在油滴中，Sun等人在2003年成功制造了核-壳纤维。此后，同轴静电纺丝法在各个研究领域迅速发展。

以往的研究已经展示了电纺丝膜的优异性能，具有孔隙率高、渗透性好、表面积大、易于制备微纳纤维膜等特点。此外，电纺丝膜内的微纳纤维结构已被认为可以增强O2和nh3敏感染料的传感性能，影响线性度、响应和恢复时间等方面。因此，同轴静电纺丝方法成为开发创新光学传感膜的一种有前途的技术。

然而，同轴静电纺丝技术制备连续光滑芯壳纤维膜的成功实施取决于加工过程中三个关键参数的有效控制。这些参数包括聚合物基质溶液的性质（如粘度、溶解度、表面张力）、周围环境条件（如湿度、温度）和可变的操作因素（如电力、到集电极的距离、进料速度）。

在这项研究中，我们介绍了一种利用同轴静电纺丝设备同时检测O2和NH3气体的新型光学双传感器。选择o2敏感染料PtTFPP和nh3敏感染料伊红Y。采用同轴静电纺丝技术，制作了光纤双传感器，芯纤含PtTFPP用于O2气体传感，壳纤含Eosin-Y用于NH3气体检测。通过荧光猝灭分析和波长位移测量对光学传感器的性能进行了评价。

二、摘要

同轴电纺法被广泛应用于医疗器械和传感技术等领域。本研究提出了一种新型光学双传感器，用于同时检测氧气（O2）和氨气（NH3），该传感器基于同轴电纺丝法生产掺杂荧光染料的芯壳纤维膜。利用同轴电纺法，将聚合物基质醋酸纤维素（CA）与铂(II)介-四（五氟苯基）卟啉（PtTFPP）和Eosin-Y分别溶解，成功制成了O2（芯）和NH3（壳）敏感染料膜。该光学双传感器由紫外 LED 照亮，监测选定分析气体存在时的强度变化和波长偏移。实验数据显示，光学双传感器对 O2 和 NH3 的灵敏度分别为 6.4 和 3.2。测得 O2 和 NH3 传感探头的响应和恢复时间分别为 12 秒/29 秒和 65 秒/66 秒。此外，当暴露在 0 至 500 ppm 的 NH3 气体中时，Eosin-Y 的波长偏移数据分别从 569.5 nm、573.9 nm、578.4 nm、579.4 nm、580.8 nm 和 582.2 nm 开始。在应用中，所提出的基于同轴电纺丝方法的光学双传感器可同时检测 O2 和 NH3 气体。

三、结论

利用同轴电纺丝设备轻松制造出了一种新型光学双传感器，该传感器采用了核心（O2）和外壳（NH3）纤维结构，在实验室测量中展示了同时传感氨气和氧气的能力。通过这种方法制造的纳米纤维结构显著提高了传感性能，改善了线性度、响应和恢复能力。实验结果表明，光学双传感器对氧气和 NH3 的感应灵敏度分别为 6.4 和 3.2。氧气和 NH3 传感器的响应和恢复时间分别为 12 秒/29 秒和 65 秒/66 秒。此外，通过使用 Eosin-Y 敏感染料进行波长偏移测量，还发现了一种新颖独特的检测方法，这是以前从未讨论过的。因此，该方法有望成为制造具有广泛应用的光学双传感器的可行候选方法。

图1.(a)同轴静电纺丝机和(b)同轴静电纺丝加工示意图。

图2.用于表征的气敏图。

图3.芯壳纤维膜的 (a) x1000 扫描电镜图像、(b) x5000 扫描电镜图像、(c) 电子扫描图像、(d) EDS 图像、(e) x3000 扫描电镜横截面图像和 (f) x10000 扫描电镜横截面图像。