低維材料改性的諧振光纖傳感器研究進(jìn)展

王琦（論文共同第一作者、共同通訊作者），尹翔宇（論文共同第一作者），趙勇（共同通訊作者），張晗（共同通訊作者）

01導(dǎo)讀

諧振式光纖傳感器因其靈敏度高、體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的諧振式光纖傳感器由于局部場(chǎng)強(qiáng)有限、分子親和力低，在痕量檢測(cè)方面遇到了瓶頸。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，量子點(diǎn)、石墨烯、過(guò)渡金屬硫化物等低維材料具有載流子遷移率高、比表面積大、結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)良性能，可控制的人工技術(shù)也可合成具有所需特性的新材料，從根本上提升傳感器的性能。低維材料的引入不僅可以實(shí)現(xiàn)傳感器的性能優(yōu)化，還可以使傳感器功能性實(shí)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象的多樣化。

該綜述基于低維材料的共振光纖傳感器的研究進(jìn)展:闡述了共振光纖傳感相關(guān)的檢測(cè)原理和性能指標(biāo)，介紹了低維材料改性的共振光纖傳感器。總結(jié)了低維材料在諧振光纖傳感中的作用，分析了諧振光纖傳感器生產(chǎn)過(guò)程中性能優(yōu)化的方向，并對(duì)新型諧振光纖傳感器的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。



低維材料改性的光纖傳感器

02研究背景

檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中發(fā)揮著重要作用。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)過(guò)程中的參數(shù)變化是給予適當(dāng)反饋控制的前提。醫(yī)學(xué)檢測(cè)是正確診斷疾病的基礎(chǔ)，對(duì)環(huán)境中有毒物質(zhì)的監(jiān)測(cè)是保證人體健康的重要手段。傳感器作為檢測(cè)技術(shù)的核心部件凸顯其重要性，在一些特殊場(chǎng)合特別是痕量檢測(cè)中，光學(xué)傳感器表現(xiàn)出了傳統(tǒng)傳感器所不具備的非凡能力。諧振光纖傳感器是目前的研究熱點(diǎn)，并已廣泛應(yīng)用于環(huán)境、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域，低維納米材料的引入可以有效地提高光學(xué)諧振光纖傳感器的傳感性能。

光纖傳感器的檢測(cè)原理主要分為電化學(xué)原理、光學(xué)原理和質(zhì)量傳導(dǎo)原理等。這些傳感器具有優(yōu)異的分析性能和檢測(cè)能力。除了傳統(tǒng)的金屬離子檢測(cè)外，光纖傳感器也在向精密、小型化的生物檢測(cè)技術(shù)發(fā)展。光學(xué)元件往往具有實(shí)現(xiàn)超精密傳感的潛力。比色法操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀。熒光檢測(cè)方法靈敏度高，適用范圍廣。化學(xué)發(fā)光檢測(cè)方法靈敏度高，無(wú)需激發(fā)。但這些方法通常需要對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，且樣本量大，不能滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要。光共振法因?yàn)槠渚哂袑?shí)時(shí)檢測(cè)的能力而受到廣泛關(guān)注。 目前，傳感領(lǐng)域常用的光學(xué)共振原理有表面等離子體共振(SPR)、局域表面等離子體共振(LSPR)、長(zhǎng)程表面等離子體共振(LRSPR)和損失模式共振(LMR)等。

03創(chuàng)新研究

3.1基于零維材料的諧振式光纖傳感器

零維(0D)材料是指空間三維尺寸為納米尺度的材料，三維尺寸在100納米以內(nèi)。納米顆粒是粒狀0D材料。用于諧振光纖傳感的零維材料主要有兩種，即納米顆粒和量子點(diǎn)。納米顆粒的形狀可細(xì)分為納米島狀、納米星狀、納米花狀、介孔納米顆粒和核殼狀結(jié)構(gòu)納米顆粒。

納米顆粒在光纖傳感器中的敏化作用已被廣泛研究，這是將納米顆粒引入光纖傳感器技術(shù)的主要原因。在傳感區(qū)域的場(chǎng)中，貴金屬納米顆粒的LSPR特性與SPR傳感器表面的等離子體波之間的耦合作用，這些特殊結(jié)構(gòu)的尖端可以產(chǎn)生局部強(qiáng)結(jié)合增強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)的作用，這歸因于LSPR效應(yīng)，這是納米顆粒敏化效應(yīng)的原因之一。此外，納米顆粒在纖維表面的吸附增加了傳感表面的粗糙度，增加了傳感區(qū)域的表面積，從而提高了傳感器的靈敏度。多孔納米顆粒除了自身的增敏作用外，還可以用敏感材料填充孔洞，多孔結(jié)構(gòu)有利于被測(cè)物體進(jìn)入顆粒內(nèi)，與敏感材料充分相互作用，從而有利于靈敏度的提高。摻雜操作可以改變敏感材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，對(duì)提高傳感器靈敏度具有積極意義。

在光纖傳感的研究中，量子點(diǎn)主要應(yīng)用在強(qiáng)度調(diào)制型共振光纖傳感器中，這主要是利用了量子點(diǎn)優(yōu)異的熒光效應(yīng)。與傳統(tǒng)熒光材料相比，量子點(diǎn)具有更寬的激發(fā)光譜、更窄的發(fā)射光譜和更長(zhǎng)的熒光壽命。量子點(diǎn)本身具有許多量子效應(yīng)，因此除了將其良好的熒光特性應(yīng)用于傳感之外，其他量子效應(yīng)對(duì)傳感器性能的影響也值得研究。

圖2基于0D材料的光纖傳感器

3.2基于一維材料的諧振式光纖傳感器

與0D材料相比，1D材料在共振光纖傳感器中應(yīng)用并不廣泛。材料的范圍很大程度上僅限于納米管和納米棒。在傳感器靈敏度優(yōu)化方面，1D材料大比表面積增加了被測(cè)物質(zhì)的吸收，特定1D材料具有對(duì)特定被測(cè)物質(zhì)靈敏度高的特點(diǎn)。納米棒的靈敏度與尺寸或密度之間存在關(guān)系。較小的尺寸提高了自由度，較大的密度可以吸附更多的待測(cè)物質(zhì)。一維材料的不同截面形狀對(duì)靈敏度也有顯著影響。

一維材料的不同制備方法會(huì)導(dǎo)致不同的傳感器性能。與溶膠-凝膠法相比，水熱法制備的ZnO納米棒可使傳感器具有更高的靈敏度和更好的線性度。由于納米材料在傳感器制造過(guò)程中是逐層鍍的，因此納米材料不斷堆疊，形成層狀形態(tài)。在相同功能層材料條件下，不同功能層厚度的傳感器靈敏度值不同。不同的層厚對(duì)不同的待測(cè)物種具有不同的靈敏度，因此通過(guò)優(yōu)化層厚可以得到傳感器的最優(yōu)層厚參數(shù)。此外，在諧振傳感器中，層厚的增加會(huì)引起模式之間的耦合現(xiàn)象，從而使傳感器具有良好的靈敏度。因此，層厚優(yōu)化在傳感器設(shè)計(jì)中非常重要。

此外，輔助材料對(duì)傳感器的性能也有重要影響。聚電解質(zhì)可以增加納米管在光纖表面的附著力，從而增加傳感器的使用壽命。另有報(bào)道稱，用納米顆粒作為催化劑對(duì)納米棒進(jìn)行改性，不僅提高了傳感器的靈敏度，而且提高了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。

圖3一維納米材料在光纖傳感中的應(yīng)用

3.3基于二維材料的諧振式光纖傳感器

二維材料(2D)是指在空間上有三個(gè)維度，只有一個(gè)維度在納米尺度上的材料。二維材料種類(lèi)繁多，因此在光諧振光纖傳感中應(yīng)用最為廣泛。共振光纖傳感器常用的二維材料包括石墨烯及其衍生物、TMDCs、氧化物、BN和MXene。不同于0D和1D材料在微觀上具有特殊的單體形狀，2D材料主要以涂層和疊層的形式使用。

TMDCs和石墨烯是光纖傳感器中使用最多的二維材料，這得益于這些材料的豐富多樣性和更多的傳感方案可供選擇。有些共振光纖傳感器利用二維材料本身的敏感特性，或者利用二維材料作為敏感材料的載體，通過(guò)膜的功能操作使二維材料變得敏感。傳感區(qū)域更多二維材料的分層涂層主要用于傳感器性能的優(yōu)化，特別是靈敏度優(yōu)化。

二維材料可以通過(guò)增強(qiáng)倏逝場(chǎng)來(lái)提高靈敏度，使其更能穿透被測(cè)物體，并產(chǎn)生強(qiáng)相互作用。這種靈敏度增強(qiáng)形式與LRSPR具有類(lèi)似的效果。LRSPR通過(guò)增加緩沖層，利用緩沖層兩側(cè)產(chǎn)生的SPR耦合效應(yīng)，將倏逝場(chǎng)增加到微米級(jí)，大大增強(qiáng)了倏逝波與被測(cè)物體之間的相互作用。同樣，錐形光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也采用了較小的光纖錐形截面直徑，有利于提高靈敏度。二維納米材料的大比表面積、高載流子遷移率和高吸收系數(shù)可以增強(qiáng)光共振效果，是提高傳感器靈敏度的重要原因。對(duì)二維材料的修飾也可以方便地改變材料的傳感特性。與石墨烯基光纖傳感器相比，研究發(fā)現(xiàn)GO基傳感器具有更好的靈敏度和響應(yīng)速度。

圖4基于2D材料的諧振式光纖傳感器

04應(yīng)用與展望

諧振光纖傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，包括水質(zhì)檢測(cè)(重金屬離子)、氣體檢測(cè)(有毒或易燃易爆氣體)、溫濕度檢測(cè)等。如今，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，諧振光纖傳感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的核心解決方案，在醫(yī)療、軍事、環(huán)保等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。分布式光纖傳感器用于運(yùn)輸管道和建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)變檢測(cè)?；诖琶舨牧?磁致伸縮材料、磁光材料和磁流體材料)的光纖電磁電流傳感器可以替代傳統(tǒng)高頻響應(yīng)差、瞬態(tài)信號(hào)靈敏度低的磁場(chǎng)傳感器。此外，基于無(wú)機(jī)閃爍體的共振光纖傳感器在電離輻射檢測(cè)中可以實(shí)現(xiàn)高光轉(zhuǎn)化率和高靈敏度。

隨著高靈敏度光纖傳感器的廣泛研究，對(duì)折射率敏感的傳感器成為生物質(zhì)檢測(cè)的新力量。待測(cè)生物質(zhì)液體的折射率約為1.333，其濃度變化對(duì)應(yīng)的折射率變化具有痕量特征，一般在0.001量級(jí)。共振光纖傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、多參數(shù)傳感等優(yōu)點(diǎn)，在腫瘤生物標(biāo)志物檢測(cè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。雖然光纖傳感器已經(jīng)在高靈敏度方向上得到了深入的研究，但由于其與高靈敏度、低檢出限的不兼容，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超痕量檢測(cè)，這在一定程度上限制了光纖傳感器在臨床實(shí)踐中的進(jìn)一步應(yīng)用。同時(shí)，大多數(shù)腫瘤標(biāo)志物的敏感性和特異性較差，因此基于標(biāo)志物的診斷和治療的精度不高。然而，基于醫(yī)學(xué)圖像的人工智能技術(shù)并不適合基于連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)診療模式，這限制了人工智能技術(shù)向精準(zhǔn)醫(yī)療方向的進(jìn)一步發(fā)展。如果說(shuō)諧振光纖傳感技術(shù)在高檢測(cè)精度的研究上取得了突破，那么光學(xué)諧振光纖傳感器將在智能化、小型化、高通量、多目標(biāo)檢測(cè)等方面取得突破。

審核編輯：劉清