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)點而受到廣泛關注。然而，傳統(tǒng)的諧振式光纖傳感器由于局部場強有限、分子親和力低，在痕量檢測方面遇到了瓶頸。隨著材料技術的發(fā)展，量子點、石墨烯、過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、結構靈活等優(yōu)良性能，可控制的人工技術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現(xiàn)傳感器的性能優(yōu)化，還可以使傳感器功能性實現(xiàn)檢測對象的多樣化。

該綜述基于低維材料的共振光纖傳感器的研究進展:闡述了共振光纖傳感相關的檢測原理和性能指標，介紹了低維材料改性的共振光纖傳感器。總結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)過程中性能優(yōu)化的方向，并對新型諧振光纖傳感器的發(fā)展前景進行了展望。



低維材料改性的光纖傳感器

02研究背景

檢測技術在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中發(fā)揮著重要作用。實時監(jiān)測工業(yè)過程中的參數(shù)變化是給予適當反饋控制的前提。醫(yī)學檢測是正確診斷疾病的基礎，對環(huán)境中有毒物質(zhì)的監(jiān)測是保證人體健康的重要手段。傳感器作為檢測技術的核心部件凸顯其重要性，在一些特殊場合特別是痕量檢測中，光學傳感器表現(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，并已廣泛應用于環(huán)境、醫(yī)療、工業(yè)等領域，低維納米材料的引入可以有效地提高光學諧振光纖傳感器的傳感性能。

光纖傳感器的檢測原理主要分為電化學原理、光學原理和質(zhì)量傳導原理等。這些傳感器具有優(yōu)異的分析性能和檢測能力。除了傳統(tǒng)的金屬離子檢測外，光纖傳感器也在向精密、小型化的生物檢測技術發(fā)展。光學元件往往具有實現(xiàn)超精密傳感的潛力。比色法操作簡單，結果直觀。熒光檢測方法靈敏度高，適用范圍廣。化學發(fā)光檢測方法靈敏度高，無需激發(fā)。但這些方法通常需要對檢測對象進行復雜的預處理，且樣本量大，不能滿足實時檢測的需要。光共振法因為其具有實時檢測的能力而受到廣泛關注。 目前，傳感領域常用的光學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。納米顆粒的形狀可細分為納米島狀、納米星狀、納米花狀、介孔納米顆粒和核殼狀結構納米顆粒。

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的主要原因。在傳感區(qū)域的場中，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，這些特殊結構的尖端可以產(chǎn)生局部強結合增強場強的作用，這歸因于LSPR效應，這是納米顆粒敏化效應的原因之一。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，多孔結構有利于被測物體進入顆粒內(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構，對提高傳感器靈敏度具有積極意義。

在光纖傳感的研究中，量子點主要應用在強度調(diào)制型共振光纖傳感器中，這主要是利用了量子點優(yōu)異的熒光效應。與傳統(tǒng)熒光材料相比，量子點具有更寬的激發(fā)光譜、更窄的發(fā)射光譜和更長的熒光壽命。量子點本身具有許多量子效應，因此除了將其良好的熒光特性應用于傳感之外，其他量子效應對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物質(zhì)的吸收，特定1D材料具有對特定被測物質(zhì)靈敏度高的特點。納米棒的靈敏度與尺寸或密度之間存在關系。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物質(zhì)。一維材料的不同截面形狀對靈敏度也有顯著影響。

一維材料的不同制備方法會導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。不同的層厚對不同的待測物種具有不同的靈敏度，因此通過優(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)化在傳感器設計中非常重要。

此外，輔助材料對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。另有報道稱，用納米顆粒作為催化劑對納米棒進行改性，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維度，只有一個維度在納米尺度上的材料。二維材料種類繁多，因此在光諧振光纖傳感中應用最為廣泛。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。

二維材料可以通過增強倏逝場來提高靈敏度，使其更能穿透被測物體，并產(chǎn)生強相互作用。這種靈敏度增強形式與LRSPR具有類似的效果。LRSPR通過增加緩沖層，利用緩沖層兩側(cè)產(chǎn)生的SPR耦合效應，將倏逝場增加到微米級，大大增強了倏逝波與被測物體之間的相互作用。同樣，錐形光纖的結構設計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)可以增強光共振效果，是提高傳感器靈敏度的重要原因。對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速度。

圖4基于2D材料的諧振式光纖傳感器

04應用與展望

諧振光纖傳感技術已廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測，包括水質(zhì)檢測(重金屬離子)、氣體檢測(有毒或易燃易爆氣體)、溫濕度檢測等。如今，隨著網(wǎng)絡技術的普及，諧振光纖傳感技術與物聯(lián)網(wǎng)技術深度融合，無線傳感器網(wǎng)絡作為物聯(lián)網(wǎng)的核心解決方案，在醫(yī)療、軍事、環(huán)保等領域得到廣泛應用。分布式光纖傳感器用于運輸管道和建筑結構的應變檢測。基于磁敏材料(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)高頻響應差、瞬態(tài)信號靈敏度低的磁場傳感器。此外，基于無機閃爍體的共振光纖傳感器在電離輻射檢測中可以實現(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，對折射率敏感的傳感器成為生物質(zhì)檢測的新力量。待測生物質(zhì)液體的折射率約為1.333，其濃度變化對應的折射率變化具有痕量特征，一般在0.001量級。共振光纖傳感器具有抗干擾能力強、多參數(shù)傳感等優(yōu)點，在腫瘤生物標志物檢測領域受到廣泛關注。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，無法實現(xiàn)超痕量檢測，這在一定程度上限制了光纖傳感器在臨床實踐中的進一步應用。同時，大多數(shù)腫瘤標志物的敏感性和特異性較差，因此基于標志物的診斷和治療的精度不高。然而，基于醫(yī)學圖像的人工智能技術并不適合基于連續(xù)動態(tài)監(jiān)測的精準診療模式，這限制了人工智能技術向精準醫(yī)療方向的進一步發(fā)展。如果說諧振光纖傳感技術在高檢測精度的研究上取得了突破，那么光學諧振光纖傳感器將在智能化、小型化、高通量、多目標檢測等方面取得突破。

審核編輯：劉清