低维材料改性的谐振光纤传感器研究进展

王琦（论文共同第一作者、共同通讯作者），尹翔宇（论文共同第一作者），赵勇（共同通讯作者），张晗（共同通讯作者）  

01   导读

谐振式光纤传感器因其灵敏度高、体积小、抗电磁干扰等优点而受到广泛关注。然而，传统的谐振式光纤传感器由于局部场强有限、分子亲和力低，在痕量检测方面遇到了瓶颈。随着材料技术的发展，量子点、石墨烯、过渡金属硫化物等低维材料具有载流子迁移率高、比表面积大、结构灵活等优良性能，可控制的人工技术也可合成具有所需特性的新材料，从根本上提升传感器的性能。低维材料的引入不仅可以实现传感器的性能优化，还可以使传感器功能性实现检测对象的多样化。

该综述基于低维材料的共振光纤传感器的研究进展:阐述了共振光纤传感相关的检测原理和性能指标，介绍了低维材料改性的共振光纤传感器。总结了低维材料在谐振光纤传感中的作用，分析了谐振光纤传感器生产过程中性能优化的方向，并对新型谐振光纤传感器的发展前景进行了展望。



低维材料改性的光纤传感器 

 02  研究背景

检测技术在工业生产和日常生活中发挥着重要作用。实时监测工业过程中的参数变化是给予适当反馈控制的前提。医学检测是正确诊断疾病的基础，对环境中有毒物质的监测是保证人体健康的重要手段。传感器作为检测技术的核心部件凸显其重要性，在一些特殊场合特别是痕量检测中，光学传感器表现出了传统传感器所不具备的非凡能力。谐振光纤传感器是目前的研究热点，并已广泛应用于环境、医疗、工业等领域，低维纳米材料的引入可以有效地提高光学谐振光纤传感器的传感性能。

光纤传感器的检测原理主要分为电化学原理、光学原理和质量传导原理等。这些传感器具有优异的分析性能和检测能力。除了传统的金属离子检测外，光纤传感器也在向精密、小型化的生物检测技术发展。光学元件往往具有实现超精密传感的潜力。比色法操作简单，结果直观。荧光检测方法灵敏度高，适用范围广。化学发光检测方法灵敏度高，无需激发。但这些方法通常需要对检测对象进行复杂的预处理，且样本量大，不能满足实时检测的需要。光共振法因为其具有实时检测的能力而受到广泛关注。 目前，传感领域常用的光学共振原理有表面等离子体共振(SPR)、局域表面等离子体共振(LSPR)、长程表面等离子体共振(LRSPR)和损失模式共振(LMR)等。  

03   创新研究

3.1基于零维材料的谐振式光纤传感器

零维(0D)材料是指空间三维尺寸为纳米尺度的材料，三维尺寸在100纳米以内。纳米颗粒是粒状0D材料。用于谐振光纤传感的零维材料主要有两种，即纳米颗粒和量子点。纳米颗粒的形状可细分为纳米岛状、纳米星状、纳米花状、介孔纳米颗粒和核壳状结构纳米颗粒。

纳米颗粒在光纤传感器中的敏化作用已被广泛研究，这是将纳米颗粒引入光纤传感器技术的主要原因。在传感区域的场中，贵金属纳米颗粒的LSPR特性与SPR传感器表面的等离子体波之间的耦合作用，这些特殊结构的尖端可以产生局部强结合增强场强的作用，这归因于LSPR效应，这是纳米颗粒敏化效应的原因之一。此外，纳米颗粒在纤维表面的吸附增加了传感表面的粗糙度，增加了传感区域的表面积，从而提高了传感器的灵敏度。多孔纳米颗粒除了自身的增敏作用外，还可以用敏感材料填充孔洞，多孔结构有利于被测物体进入颗粒内，与敏感材料充分相互作用，从而有利于灵敏度的提高。掺杂操作可以改变敏感材料的电子能带结构，对提高传感器灵敏度具有积极意义。

在光纤传感的研究中，量子点主要应用在强度调制型共振光纤传感器中，这主要是利用了量子点优异的荧光效应。与传统荧光材料相比，量子点具有更宽的激发光谱、更窄的发射光谱和更长的荧光寿命。量子点本身具有许多量子效应，因此除了将其良好的荧光特性应用于传感之外，其他量子效应对传感器性能的影响也值得研究。

图2  基于0D材料的光纤传感器

3.2基于一维材料的谐振式光纤传感器

与0D材料相比，1D材料在共振光纤传感器中应用并不广泛。材料的范围很大程度上仅限于纳米管和纳米棒。在传感器灵敏度优化方面，1D材料大比表面积增加了被测物质的吸收，特定1D材料具有对特定被测物质灵敏度高的特点。纳米棒的灵敏度与尺寸或密度之间存在关系。较小的尺寸提高了自由度，较大的密度可以吸附更多的待测物质。一维材料的不同截面形状对灵敏度也有显著影响。

一维材料的不同制备方法会导致不同的传感器性能。与溶胶-凝胶法相比，水热法制备的ZnO纳米棒可使传感器具有更高的灵敏度和更好的线性度。由于纳米材料在传感器制造过程中是逐层镀的，因此纳米材料不断堆叠，形成层状形态。在相同功能层材料条件下，不同功能层厚度的传感器灵敏度值不同。不同的层厚对不同的待测物种具有不同的灵敏度，因此通过优化层厚可以得到传感器的最优层厚参数。此外，在谐振传感器中，层厚的增加会引起模式之间的耦合现象，从而使传感器具有良好的灵敏度。因此，层厚优化在传感器设计中非常重要。

此外，辅助材料对传感器的性能也有重要影响。聚电解质可以增加纳米管在光纤表面的附着力，从而增加传感器的使用寿命。另有报道称，用纳米颗粒作为催化剂对纳米棒进行改性，不仅提高了传感器的灵敏度，而且提高了传感器的可靠性和稳定性。

图3  一维纳米材料在光纤传感中的应用

3.3基于二维材料的谐振式光纤传感器

二维材料(2D)是指在空间上有三个维度，只有一个维度在纳米尺度上的材料。二维材料种类繁多，因此在光谐振光纤传感中应用最为广泛。共振光纤传感器常用的二维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材料在微观上具有特殊的单体形状，2D材料主要以涂层和叠层的形式使用。

TMDCs和石墨烯是光纤传感器中使用最多的二维材料，这得益于这些材料的丰富多样性和更多的传感方案可供选择。有些共振光纤传感器利用二维材料本身的敏感特性，或者利用二维材料作为敏感材料的载体，通过膜的功能操作使二维材料变得敏感。传感区域更多二维材料的分层涂层主要用于传感器性能的优化，特别是灵敏度优化。

二维材料可以通过增强倏逝场来提高灵敏度，使其更能穿透被测物体，并产生强相互作用。这种灵敏度增强形式与LRSPR具有类似的效果。LRSPR通过增加缓冲层，利用缓冲层两侧产生的SPR耦合效应，将倏逝场增加到微米级，大大增强了倏逝波与被测物体之间的相互作用。同样，锥形光纤的结构设计也采用了较小的光纤锥形截面直径，有利于提高灵敏度。二维纳米材料的大比表面积、高载流子迁移率和高吸收系数可以增强光共振效果，是提高传感器灵敏度的重要原因。对二维材料的修饰也可以方便地改变材料的传感特性。与石墨烯基光纤传感器相比，研究发现GO基传感器具有更好的灵敏度和响应速度。

图4  基于2D材料的谐振式光纤传感器

 04   应用与展望

谐振光纤传感技术已广泛应用于环境监测，包括水质检测(重金属离子)、气体检测(有毒或易燃易爆气体)、温湿度检测等。如今，随着网络技术的普及，谐振光纤传感技术与物联网技术深度融合，无线传感器网络作为物联网的核心解决方案，在医疗、军事、环保等领域得到广泛应用。分布式光纤传感器用于运输管道和建筑结构的应变检测。基于磁敏材料(磁致伸缩材料、磁光材料和磁流体材料)的光纤电磁电流传感器可以替代传统高频响应差、瞬态信号灵敏度低的磁场传感器。此外，基于无机闪烁体的共振光纤传感器在电离辐射检测中可以实现高光转化率和高灵敏度。

随着高灵敏度光纤传感器的广泛研究，对折射率敏感的传感器成为生物质检测的新力量。待测生物质液体的折射率约为1.333，其浓度变化对应的折射率变化具有痕量特征，一般在0.001量级。共振光纤传感器具有抗干扰能力强、多参数传感等优点，在肿瘤生物标志物检测领域受到广泛关注。虽然光纤传感器已经在高灵敏度方向上得到了深入的研究，但由于其与高灵敏度、低检出限的不兼容，无法实现超痕量检测，这在一定程度上限制了光纤传感器在临床实践中的进一步应用。同时，大多数肿瘤标志物的敏感性和特异性较差，因此基于标志物的诊断和治疗的精度不高。然而，基于医学图像的人工智能技术并不适合基于连续动态监测的精准诊疗模式，这限制了人工智能技术向精准医疗方向的进一步发展。如果说谐振光纤传感技术在高检测精度的研究上取得了突破，那么光学谐振光纤传感器将在智能化、小型化、高通量、多目标检测等方面取得突破。

 




审核编辑：刘清