深圳先進(jìn)院研制出黑磷光纖傳感器 實(shí)現(xiàn)對重金屬離子的超靈敏檢測

近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員呂建成、喻學(xué)鋒與英國班戈大學(xué)教授陳險(xiǎn)峰等合作，成功研制出首個(gè)基于黑磷的光纖化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對重金屬離子的超靈敏檢測。傾斜光纖光柵是一種新型的光纖器件，大角度傾斜光柵結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒗w芯光學(xué)基模前向耦合到光纖包層，在特定的波長形成一系列離散的諧振峰，光的耦合將隨著外界媒質(zhì)折射率等的變化而變化。因此，傾斜光纖光柵是非常適合作為傳感應(yīng)用的光子器件。黑磷是近年來廣受關(guān)注的一種具有直接帶隙二維半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)、超高的比表面積、眾多的活性位點(diǎn)，以及從可見到紅外廣闊的光譜響應(yīng)范圍，在光學(xué)檢測方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
該研究中，研究團(tuán)隊(duì)首次將黑磷和傾斜光纖光柵相結(jié)合，揭示了黑磷納米層獨(dú)特的光學(xué)調(diào)制作用，借助于傾斜光柵這種獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建成新型的超靈敏化學(xué)傳感器。本研究發(fā)展了一種原位層疊的修飾技術(shù)，將黑磷納米片高效地附著在光纖器件表面，不同厚度的黑磷納米層展現(xiàn)出對光信號獨(dú)特的調(diào)制性。利用這一特性，該黑磷光纖傳感器能夠在亞ppb濃度水平檢測到重金屬鉛離子，具有超高的靈敏度、超低的檢測限，以及廣闊的濃度檢測范圍。黑磷新型光纖傳感器的成功研發(fā)，將為化學(xué)和生物傳感提供一個(gè)優(yōu)越的光學(xué)檢測平臺，從而推動黑磷化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用研究進(jìn)程。相關(guān)研究成果發(fā)表于Sensors and Actuators B: Chemical。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、歐盟“第七框架計(jì)劃”等的資助。

圖 a)：黑磷傾斜光纖光柵器件及其光學(xué)調(diào)制示意圖，b)：重金屬離子檢測的實(shí)驗(yàn)步驟，c)：不同重金屬離子濃度下TM模式共振的光譜圖，d)：不同重金屬離子濃度下光譜的共振強(qiáng)度圖