多通道光纤SPR传感器的未来发展方向

01   导读

基于表面等离子体共振(Surface plasmon resonance, SPR)的光纤传感器在生物医学、环境监测、公共安全等方面表现出卓越的性能，为分子间相互作用的定性检测和定量分析提供了强大的平台。其中，多通道光纤SPR传感器以其可以补偿非特异性结合与环境参数波动和可以实现多分析物测定的优势，成为并行检测场景的核心工具。东北大学赵勇团队综述了多通道光纤SPR传感器的实现方法和应用现状，主要介绍了光纤微结构、材料增强以及与其它传感机制结合这三种实现方法，并回顾了多通道光纤SPR传感器在液体折射率、折射率和温度、生化分子以及物理参数等传感领域的应用现状。深入分析和比较了各类多通道光纤SPR传感器的结构、激发效果、传感性能以及优缺点。最后，本文从原理、结构、材料等方面对多通道光纤SPR传感器的未来发展方向进行了展望。

 02  研究背景

光纤传感器作为一种新型传感器，具有成本低、体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、适合在线监测等一系列优点。因此，光纤传感器已被广泛应用在环境监测、医疗诊断和食品安全等领域中，并展示出了优异的性能。

随着社会的快速发展，待测参数的类型和目标样品的特征变得更加多样化。因此，测量数据的全面性和准确性已成为必然要求。传统的单通道传感器已经不能满足实际检测的需要，研究人员致力于开发出能够在同一传感器上实现多通道传感的技术。这些不同的传感通道能够同时检测不同的参数，彼此之间没有串扰或串扰很小，并且多通道传感能力可以显著抑制其他参数的交叉灵敏度，提高了检测数据的精度。此外，在单个传感器上进行多通道传感也大大降低了系统的尺寸和成本。光纤作为一种小尺寸的导光器件，其在传感器开发领域的能力已被证明。近年来，各种基于光纤的多通道传感器被广泛报道。其中，关于表面等离子体共振(SPR)效应的研究为多通道传感器的发展注入了活力。

SPR效应对待测介质的折射率变化高度敏感，基于SPR的传感器广泛应用于生物医学、污染物检测和海洋测量等领域。一方面，SPR传感技术具有灵敏度高、响应速度快等优点，适用于现场测量和实时检测。另一方面，对多通道测量的需求激增，基于光纤的多通道传感器具有其它传感器所不具备的测量精度高、测量效率高、测量成本低、抗电磁干扰、传感系统小型化等优点。因此，利用SPR原理开发基于光纤的多通道传感器已成为新的研究热点。近年来，多通道光纤SPR (MC-SPR)传感器的研究取得了一系列有价值的成果。随着各种新型传感材料的提出，配备这些材料的传感器的性能也得到了提高。同时，微纳加工技术也被引入到光纤传感器的制造中。这极大地推动了MC-SPR传感器的进一步发展，使其有望在新一代物联网中发挥越来越重要的作用，甚至重塑人们的生活方式。

 03   创新研究 3.1 MC-SPR传感的实现方法

光纤微结构MC-SPR传感器：

方案一：通过改变光纤的结构（例如抛磨或制备U型光纤）调整SPR的谐振角，能够使SPR特征波长发生移动，进而可以与常规波长的SPR传感区级联，实现MC-SPR传感。由于SPR特征波长与谐振角存在着相关关系。因此，这种方案不仅可以提高SPR传感器的波长灵敏度，还可以连续、精准地控制SPR的特征波长，从而有望在有限的波长范围中级联更多传感通道。缺点是需要对光纤进行精确的研磨，这增加了传感器制造的难度和成本。

方案二：利用光纤中的双折射现象，即破坏光纤的圆对称性，造成基模的两个偏振模式的传播常数不同，此时两个模式对外界的SPR响应也会有所不同，从而实现多通道传感的目的。光子晶体光纤 (Photonic crystal fiber, PCF)因其结构设计的特殊性与灵活性在基于双折射效应的MC-SPR传感器的开发中具有重要应用。

方案三：通过控制沉积在光纤表面的金属层的厚度，也可以改变SPR特征波长，从而利用与方案一类似的思想，实现MC-SPR传感。基于这种方案的MC-SPR传感器易于制备，成本较低，但额外引入的通道可能因金属非最佳厚度而损失部分传感性能。

材料增强的MC-SPR传感器：材料增强的MC-SPR传感器总体可以概括为沉积不同金属和引入其它敏感材料两种。能够激发SPR的金属包括Au、Ag、Cu、Al等，由于不同金属具有不同的相对介电常数，因此具有不同的SPR特征波长。除了典型的级联式结构外，基于不同金属的MC-SPR传感器还可采用嵌入式结构，与级联式结构相比，嵌入式结构实现了内部和外部通道的物理分离，更适合测量不同的参数，并且嵌入式结构更紧凑，便于传感器集成。而引入敏感材料的MC-SPR传感器，同样分为两种基本结构，即级联式和嵌入式。对不同待测量敏感的材料大多具有各自不同的折射率，由此可以构成面向多参数的光纤SPR传感器。此外，部分高折射率的金属氧化物也被用作金属等离子体材料外的调制层，从而使SPR特征波长红移。

多传感机制混合的MC-SPR传感器：随着光纤传感技术的发展，将其它光纤传感机制与SPR效应结合从而实现多通道是MC-SPR传感器的又一个重要发展方向。本文主要介绍了与LSPR、光纤光栅、模间干涉、定向耦合效应等光纤传感机理结合的几类MC-SPR传感器。此外，还有研究者通过不同时段内对光纤不同纤芯之间的光路切换，实现基于多个纤芯的多通道传感，以及增加新的数据维度以检测存在交叉敏感的多个参数，例如对部分传感区域施加压力改变传感性能，或利用光纤损耗引入光强度对参数的响应以实现多参数解调。总体来看，通过改变光纤结构参数的MC-SPR传感器可以实现对谐振波长的连续调节，材料增强的MC-SPR传感器可以拓宽应用范围，实现多分析物传感，结合LSPR、定向耦合效应、光纤光栅等传感机制的MC-SPR传感器也相应提升了传感性能，体现在对低浓度分子具有更高的灵敏度、更宽的折射率检测范围和更高的机械强度。但也存在着一些待解决的问题，例如基于光纤双折射的MC-SPR传感器的制造过程复杂且困难，基于不同敏感膜的MC-SPR传感器在多分析物溶液中表现不佳，易受其它溶质分子干扰。

3.2 MC-SPR传感器的应用现状   图2 MC-SPR传感器的应用现状 图源: Laser & Photonics Reviews (2022). https://doi.org/10.1002/lpor.202200009 (Fig. 22)

液体折射率的多通道检测：检测液体折射率的变化是光纤SPR传感器最早的应用，也是最典型的应用，是传感器进一步功能化以适用于其他参数检测的基础。在这一应用领域中，各种MC-SPR传感器都展现了出色的性能，例如能够测量的液体折射率可达1.5以上，最高灵敏度达到27000 nm/RIU等。

折射率和温度的同时测量：MC-SPR传感器为测量温度等环境因素提供了额外的通道，并取得了良好的效果。通常情况下，同时测量液体折射率和温度的MC-SPR传感器需引入温敏材料，并基于级联结构。值得一提的是，为精确求得测量结果，标定传感器时需要得到每个通道对各个参数的共计4个灵敏度构成灵敏度系数矩阵，则对其求逆后可得到折射率和温度的实际变化。此外，MC-SPR传感器也有望在海水温度、盐度和深度实时测量方面提供新的实用的解决方案。

生化分子的多通道测量：光纤SPR传感器因其高灵敏度，响应迅速，无需标签的优势，在生化分子检测中扮演重要角色。MC-SPR传感器由于可以提供参考通道，较大程度地降低了非特异性吸附导致的测量误差。同时，当多个通道均被功能化时，可以实现多分析物传感，降低了检测成本，提升了检测效率。当前，面向免疫球蛋白G (Immunoglobulin G, IgG)，刀豆球蛋白A等生物大分子检测的MC-SPR传感器研究较多，这类传感器常利用抗原与抗体之间的特异性结合来选择性地检测目标分子。有研究表明当引入氧化石墨烯作为增敏材料时，MC-SPR传感器对IgG的检测限达到0.015 μg/mL。同时，也有研究人员利用酶促反应特异性检测生物小分子，例如葡萄糖，尿素等。同理，MC-SPR传感器对于重金属离子和气体分子也展示出良好的传感性能。总体而言，面向生物量的MC-SPR传感器更适用于实验室环境的精准测量，因此参考通道多用于补偿环境因素带来的干扰，而用于测量污染物离子等化学量的传感器，由于其良好的选择性与较高的灵敏度有望得到现场应用。尽管如此，MC-SPR传感器对一些生化物质的响应仍然存在非线性的问题，需要通过合理引入新的结构和高性能敏感膜来解决。

对物理参数的多通道测量：由于温度、应力等物理参数的改变也会引起SPR谐振条件的变化，因此SPR传感器也可用于物理参数的传感。尤其是在磁流体等材料在传感领域的潜力得到证明后，MC-SPR磁场温度传感器被广泛报道。它们中的大多数基于PCF结构，并且研究者们利用PCF结构设计的灵活性以及高双折射的优势仿真出了良好的传感性能。但这些传感器的制造过程相对复杂，增加了传感器规模化生产的难度，提高了测量成本。

 04   应用与展望

MC-SPR传感器在过去十年得到了深入且广泛的研究，并取得了一系列令人惊喜的成果。大量的研究证明了，MC-SPR传感器不仅保持了单点SPR传感器的快速响应和高灵敏度等优点，而且使测量数据更加全面和准确，这说明MC-SPR传感器具有重要的研究价值与广阔的应用前景。然而，尽管MC-SPR传感器具有令人满意的灵敏度和响应时间，但仍有一些不足，例如精度不够，对生物分子的非线性响应等。针对这些问题，从传感原理角度可以引入一些新的传感机制，例如长程表面等离子体共振，Fano共振，回音壁模式，或结合量子资源；结构上可以利用飞秒激光加工等微纳制造技术对光纤进行进一步处理，以及采用特种光纤，从而提高纤芯模式和SPP的耦合效率；材料方面可着重应用以纳米材料和二维材料为代表的先进材料提高传感器的传感性能。同时，当前的DNA技术不断发展，基于DNA杂交的检测技术在光纤传感方面的应用将使未来的MC-SPR传感器更加稳定，并且具有更好的特异性。此外，对分析物预处理，以及结合微流控技术控制样品的用量流速等也会改善传感器的检测效果。毫无疑问，实用化是MC-SPR传感器的发展目标，但同时也是挑战，例如需要克服实验室之外实际环境中多种复杂因素的干扰，提高传感器的重复性，从而降低成本等。但我们相信，在微纳加工技术迅速发展，新材料不断被提出的今天，集物理、化学、生物和工程技术于一体的MC-SPR传感器的性能将不断提高，应用范围将扩大到更广泛的领域，实用化进程也将进一步加快，从而更有效地改善人们的生活质量。　　

      审核编辑：彭静