近日，我校电子与电气工程系2017级博士研究生刘宗岱作为第一作者的最新研究成果Monitoring the two-dimensional concentration profile of toluene vapors by using polymer-stabilized nematic liquid crystals in microchannels发表于英国皇家化学学会（RSC）旗下知名学术期刊Lab on a Chip（IF=6.914）。南方科技大学电子与电气工程系罗丹副教授和新加坡国立大学杨昆霖副教授为文章的通讯作者。

挥发性有机物是工业生产中的常用原料，但它们的危害也很明显，于是检测挥发性有机物的浓度的方法受到人们的关注。现有的很多检测方法都只能用于点检测，而本文介绍了一种新的基于液晶聚合物网络的检测方法，能够实时检测甲苯分子在二维平面内的浓度变化。该方法实现了通过结构色来表示甲苯的浓度：高浓度甲苯环境中，光的延迟（retardance）低，所以干涉颜色鲜艳；低浓度甲苯环境中，光的延迟高，所以颜色昏暗。相比于普通的检测方法，该方法能实现通过颜色表征二维层面内挥发性有机物的浓度，从而实现甲苯在平面内的实时监控，有利于生活生产环境中的安全问题。

图1  聚合物稳定液晶接触不同浓度的甲苯后显示出不同的结构色

本文也详细介绍了此结构色的来源。在形成液晶聚合物网络之后，未参与反应的液晶单体5CB以两种形式存在于聚合物网络中：一种是靠近聚合物网络进而被固定住，一种是远离聚合物网络进而相对自由。在低浓度甲苯下，只有远离聚合物网络且相对自由的液晶单体与甲苯反应，进而降低光的延迟。在甲苯浓度升高的过程中，靠近聚合物网络进而被固定住的液晶单体逐渐与甲苯反应。在这个渐变的过程中，我们也能看到根据浓度不同而渐变的颜色变化。刘宗岱介绍普通的液晶传感器只能产生亮、暗两个信号，而对浓度的分析往往是通过亮度进而计算得出，或者根本就不能得出浓度。而基于液晶聚合物网络的传感器能够直接通过颜色判断分析物（甲苯）的浓度大小。并且，此传感器区别于传统液晶传感器的另一优点是此传感器可以独立成膜，加大了此传感器的应用范围。

图2 聚合物稳定液晶中液晶单体5CB对通过微通道扩散的甲苯蒸汽的光学和定向响应。初始取向为(a、b) 平行排列，(c、d) 垂直排列

本文的一大应用是基于不同浓度下的结构色，分析甲苯分子在液晶网络中的扩散行为，包括甲苯分子扩散进液晶网络以及扩散出网络中的浓度变化。并测试了不同时间下甲苯分子的扩散距离，然后依据费克第二定律计算出了甲苯分子的扩散率（D）。

图3 甲苯分子在1、2、4、7小时的扩散距离与浓度

本文第一作者刘宗岱是南方科技大学电子与电气工程系2017届本科毕业生、2017级南方科技大学与新加坡国立大学联合培养博士生。

该研究获得了新加坡研究局（1421200079），国家自然科学基金（61875081）和深圳科创委（JCYJ20180305180700747）的资助。