近日，中國科學院深圳先進技術研究院呂建成研究員、喻學鋒研究員與英國班戈大學陳險峰教授等合作，成功研制出首個基于黑磷的光纖化學傳感器，實現對重金屬離子的超靈敏檢測。相關論文Black phosphorus integrated tilted fiber grating for ultrasensitive heavy metal sensing（黑磷傾斜光纖光柵傳感器及其超靈敏重金屬離子檢測）發表在JCR一區期刊Sensors and Actuators B: Chemical（《傳感器和致動器 B: 化學》）上。

傾斜光纖光柵是一種新型的光纖器件，大角度傾斜光柵結構能夠將纖芯光學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用的光子器件。黑磷是近年來廣受關注的一種具有直接帶隙二維半導體材料，具有獨特的二維平面結構、超高的比表面積、眾多的活性位點，以及從可見到紅外廣闊的光譜響應范圍，在光學檢測方面展現出巨大的潛在應用前景。

本項工作中，研究團隊首次將黑磷和傾斜光纖光柵相結合，揭示了黑磷納米層獨特的光學調制作用，借助于傾斜光柵這種獨特的光學結構構建成新型的超靈敏化學傳感器。本研究發展了一種原位層疊的修飾技術，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出對光信號獨特的調制性。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。基于黑磷的新型光纖傳感器的成功研發，為化學和生物傳感提供了一個優越的光學檢測平臺，將極大地推動黑磷化學生物傳感器的應用研究進程。

本項研究得到了歐盟“第七框架計劃”、國家自然科學基金和中科院前沿科學重點項目的資助。

圖：a) 黑磷傾斜光纖光柵器件及其光學調制示意圖，b) 重金屬離子檢測的實驗步驟，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度圖