基于熒光猝滅效應的光纖傳感器研究進展

陳 靜，楊 曌，黃宇豪，周明輝，趙奔陽，夏 歷，李 微

(華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

熒光檢測法具有極高的靈敏度、良好的鑒別性和實時監測性，可以很好地將化學問題物理化處理[1]。2020年1月，新型冠狀病毒肺炎疫情(簡稱新冠肺炎)全面爆發。熒光聚合酶鏈式反應(PCR)檢測儀在病毒確診中起著關鍵作用[2]；但熒光PCR檢測儀仍在一些缺點，例如對操作人員及操作技術要求高、檢測時間長、儀器體積龐大不易攜帶等[3]。而光纖具有體積小、價格便宜等優勢，如果將光纖與熒光檢測技術相結合，可以避免上述缺點。

熒光猝滅是指溶劑分子使熒光分子發生猝滅的現象[4]。1931年，Kautsky在葉綠素熒光誘導實驗[5-6]中發現氧分子可以猝滅熒光，于是提出熒光猝滅原理[7]。氧分子、重金屬離子、溫度等都可以作為“熒光猝滅劑”，對熒光強度產生猝滅作用，基于熒光猝滅效應的傳感器有效地利用了這一特點，具有重大的研究意義和應用價值。

本文以基于熒光猝滅效應的光纖傳感器為主題，通過對傳感光纖結構進行分類的方式，詳細地闡述了光纖與熒光檢測的有機結合，綜述了基于熒光猝滅效應的光纖傳感器的應用領域，最后對其未來發展進行了展望。

2 熒光猝滅原理

2.1 熒光檢測機理

當光照射到某物質上時，其原子核周圍的電子吸收光能量，從基態躍遷到高能級激發態。由于單線態的不穩定性，電子會恢復到基態自發輻射產生熒光，該現象稱為弛豫[8]，熒光光譜較吸收光譜波長的紅移稱為斯托克斯位移[9]。根據待測物的不同，可以通過解調發射光譜[10-11]、熒光強度[12-13]和熒光壽命[14-15]等參數來定量分析待測物。熒光檢測法主要是基于具有熒光效應的物質進行直接檢測或利用熒光染料標記法進行間接檢測。

2.2 熒光猝滅效應

熒光猝滅可以簡單地描述為通過熒光分子和猝滅分子的相互作用來減少熒光分子的熒光強度[16]。熒光猝滅可以分為兩個類別，分別是靜態猝滅和動態猝滅。靜態猝滅指兩分子弱結合形成的復合物使熒光完全消失；動態猝滅則是一種電子轉移或能量轉移的過程，熒光的猝滅程度和猝滅劑有關[17-18]。動態猝滅主要包括：濃度猝滅、雜質猝滅、溫度猝滅等，其過程通常遵循Stern-Volmer方程：

(1)

其中，I0、τ0、I和τ分別是濃度為CQ的指示劑染料在不存在和存在猝滅劑時的熒光強度和熒光壽命；KSV是Stern-Volmer猝滅常數，單位通常為濃度單位的倒數，與猝滅劑的猝滅效率有關。熒光信號取決于猝滅劑濃度，所以在包含或添加了熒光化合物的樣品中，可以通過猝滅作用來確定其信息。

3 傳感光纖結構

3.1 空間光耦合型

光纖在熒光檢測中最簡單的應用是將其用于激發光和接收光的傳輸，熒光檢測過程則在光纖外的空間中進行。由于激發光纖和接收光纖的分離式結構會導致大部分的熒光信號丟失，所以經典的結構是由1根激發光纖和6根接收光纖構成的組合光纖[19]。但是在該光纖模式中，大量的入射光會被耦合進入低階模式，并且被噪聲信號干擾的接收光纖存在閾值飽和問題，影響熒光信號的解調。為解決上述問題，Sandra等[20]將兩根標準多模光纖組成一個直徑約為150 μm的光纖探針，如圖1所示。該結構的傳輸功率損耗小于0.2 dB，由于波導纖芯不耦合，不會造成無關干擾。Moradi等[21]則利用微流控芯片的高度集成化、低消耗等優勢，提出如圖2所示的蛇形通道微流控結構，同樣可以有效地減少信號干擾。

圖1 雙光纖探針的端面(a)、組成材料(b)、傳感探頭(c)。

圖2 蛇形結構微流控芯片

3.2 微結構光纖型

光在纖芯中以駐波形式傳輸，傳輸過程中光波會部分透射進入光纖包層大約一個波長深度，而后反射回到纖芯。如圖3所示，該透射光波的振幅隨穿透深度的增加呈指數衰減，故稱為倏逝波[22]。拉錐光纖、裸芯光纖等微結構光纖可以有效地使倏逝波泄露，光纖泄露的倏逝波則可以激發熒光物質產生熒光。

圖3 光纖倏逝波原理圖

Li等利用拉錐光纖結構搭建了如圖4(a)所示的熒光傳感系統[23]，激光光源在光纖拉錐區泄露倏逝波，從而激發熒光染料羅丹明6G產生熒光。熒光信號在拉錐區域產生并且耦合進入光纖，圖4(b)～(d)分別表示自然狀態、激光入射時和激發熒光時錐形光纖的掃描電子顯微鏡圖像。

圖4 拉錐光纖熒光傳感系統的實驗裝置。(a)顯微鏡下的自然狀態；(b)激光入射；(c)熒光激發；(d)圖像。

上述實驗中需要將拉錐光纖嵌入檢測皿中，無法實現方便快速地進行檢測，Zhang等[24]提出裸芯結構的光纖探針，直接將制備好的光纖探針伸入大腸桿菌溶液中進行快速檢測。圖5(a)為光纖熒光傳感系統，圖5(b)為裸芯錐形光纖結構，利用管腐蝕法來去除光纖包層。而上述光纖探針不具有特異性檢測能力，Zhang等[25]在原有結構的基礎上用化學手段功能化處理光纖探針，使光纖探針表面交聯抗體，抗體能夠與大腸桿菌特異性結合。如圖5所示，實驗用熒光染料碘化丙啶標記了大腸桿菌死菌，倏逝波激發碘化丙啶產生熒光，實現了對死菌的檢測。

圖5 裸芯光纖探針熒光傳感系統的實驗裝置(a)與裸芯結構(b)

圖6 功能化處理光纖探針原理圖

3.3 空心光纖

熒光檢測過程都需要在暗室中進行，避免外界環境因素對檢測結果產生較大影響。如果將熒光檢測過程置于空心光子晶體光纖(HC-PCF)中進行，則可以有效地抵抗環境的干擾。并且HC-PCF通過纖芯空氣孔導光提供基模傳輸，能夠將99%的光都限制在纖芯內傳輸，實現低損耗傳輸[26]。為估算HC-PCF纖芯傳播模式數，Cregan等[27]推導了近似估算公式如下：

(2)

(3)

其中，NPBG為傳播的導模數，n1為纖芯折射率，βH、βL分別為定波長下傳播常數最大值和最小值。由公式可知，HC-PCF纖芯半徑必須適中，以接近理想傳輸模式。在該原理基礎上，Chen等[28]提出如圖7所示的HCPCF結構，空心孔尺寸為4.8 μm。包層孔用融合拼接技術密封，中心孔保持開放，并允許通過聚合誘導發射(AIE)分子溶液。在基于該結構的AIE分子檢測中，僅需0.36 nL樣本就可以完成實驗。HC-PCF結構設計多樣，Yu等[29]設計并制造了如圖8所示的HC-PCF結構，將花青素Cy3、Cy5的混合溶液作為熒光染料注入到中空纖芯中，成功實現了激光的熒光共振能量轉移。

圖7 基于AIE誘導分子的HC-PCF傳感原理圖

圖8 基于花青素染料的HC-PCF結構

4 基于熒光猝滅效應的光纖傳感器應用

4.1 重金屬離子檢測

工業排出的污水中還有大量的Cu2+、Fe3+、Hg2+等重金屬離子，重金屬離子對人體危害極大，痕量重金屬離子的檢測也是研究熱點[30-31]。利用重金屬離子對熒光的猝滅效應，基于熒光猝滅效應的光纖傳感器也廣泛應用于重金屬離子檢測中。Zhou等[32]在裸芯光纖探針結構表面交聯碲化鎘(CdTe)量子點(QDs)，并摻雜水凝膠。QDs是把激子在三維空間方向上束縛住的半導體納米結構作為一種特殊的納米材料，具有特殊的光學、電學性質[33-34]。在該結構中，QDs可以被擴散到水凝膠基質，待測液中的Fe3+對其進行選擇性猝滅，可用于實時現場檢測。傳感器濃度響應在0～3.5 μmol/L范圍內呈線性，檢測限為14 nmol/L。Liu等[35]利用聚乙烯醇將AgInZnS-QDs沉積在光纖尖端制成光纖探針檢測Cu2+含量，如圖9所示為檢測過程中的光譜圖和其濃度響應。隨著濃度的增加，熒光強度逐漸減小，在2.5～800 nmol/L濃度范圍傳感器呈線性響應。

窖內堆放薯塊的高度，因品種和窖的條件而不同。地下或半地下窖堆放時，不耐藏的、易發芽的品種堆高為0.5～l米；耐貯藏、休眠期中等的品種堆高1.5～2米；耐貯藏、休眠期長的品種堆高2～3米.但最高不宜超過3米。同時還要考慮貯藏窖的容積，貯藏量不能超過全窖容積的2/3，最好為1/2左右，以便管理。溝藏時薯堆高度以l米左右為宜。

圖9 用于Cu2+檢測的AgInZnS-QDs光纖探針光譜(a)與濃度響應(b)

Helena等[36]提出一種基于碳點納米顆粒的Hg2+濃度傳感系統，該納米顆粒利用溶膠-凝膠方法在光纖探針表面生成一層薄膜。實驗可檢測亞微米級濃度的Hg2+水溶液，在pH=6.8環境下，其Stern-Volmer常數KSV達到5.3×105L/mol。為尋求更加便捷的實驗裝置，Liu等[37]用智能手機取代光譜儀，利用硒化鎘/硫化鋅(CdSe/ZnS)QDs改性后的光纖探針進行Hg2+檢測。如圖10所示為QDs改性原理圖，QDs通過鍵合的方式與光纖探針表面交聯。熒光信號由智能手機收集和處理，最終得到檢測范圍為1～1 000 nmol/L，檢測限可以達到1 nmol/L。

圖10 CdSe/ZnS-QDs QDs改性原理

4.2 爆炸物檢測

微量炸藥的準確測量與國際安全和日常生活安全息息相關，光纖熒光傳感技術因其方便、快捷、靈敏度高等優點成為炸藥檢測領域的關鍵技術之一。中國科學院上海微系統與信息技術研究所從2005年開始研制的SIM系列痕量爆炸物探測器[38]，采用了熒光聚合物猝滅傳感技術。通過擦拭采樣或吸氣采樣，可以快速檢測三硝基甲苯(TNT)、二硝基甲苯(DNT)、硝化甘油(NG)、硝酸銨(AN)、黑火藥(BP)、塑性炸藥(C4)等爆炸物。Chu等[39]基于熒光猝滅原理對硝基芳香族炸藥TNT進行檢測，將光纖繞棒纏繞構成的螺旋結構作為傳感部位，熒光猝滅劑為聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)，測定熒光強度和壽命來確定TNT濃度，傳感器靈敏度達到了5 ng/mL。

中國科學院軟物質化學重點實驗室Liu等[40]制作了錐形光纖探針，并交聯熒光多孔聚合物膜結合在其表面，其存在的多面體低聚硅倍半氧烷(POSS)使膜呈現出有序的多孔結構，同時該膜存在具有聚集誘導發射特性的四苯基乙烯(TPE)以產生強烈的熒光。利用激光光源激發熒光對TNT和DNT濃度進行檢測，圖11為TNT檢測的光譜和濃度響應；TNT濃度在100×10-9情況下，熒光猝滅在30 s時達到25.2%，在120 s時達到51.8%，在5 min內達到了73.5%。TPE及其衍生物具有聚集誘導發光特性，在光電材料領域應用前景廣闊。Yang等[41]提出了基于熒光猝滅效應的HC-PCF揮發性痕量炸藥傳感器，該傳感器是將烯丙基四苯乙烯(AL-TPE)熒光納米薄膜涂覆在HC-PCF芯空氣孔內。如圖12所示為AL-TPE膜與TNT之間的電子轉移過程，激發態AL-TPE分子與處于基態的爆炸分子之間發生電子轉移，導致熒光強度降低，產生猝滅效應。當膜厚為155 nm時，對TNT的檢測靈敏度達到了0.309×109，最小檢測限0.340×10-9；膜厚為110 nm時，DNT的響應時間達到120 s。

圖11 用于TNT檢測的光纖錐形探針光譜(a)與濃度響應(b)

圖12 AL-TPE膜和TNT之間的電子轉移過程

4.3 溶解氣體檢測

溶解氣體的精準檢測在環境、生物、工業領域都具有重要意義，例如一氧化氮(NO)溶液的濃度檢測可以診斷高血壓、心衰、糖尿病等疾病，氧溶液的檢測可以應用于污水處理廠、自來水廠水質的診斷。許多氣體分子對熒光存在猝滅效應，因此也開拓了基于熒光猝滅效應的光纖傳感器在溶解氣體檢測領域的應用。Ding等[42]搭建了熒光探針結構傳感系統，將CdSe-QDs和醋酸纖維素(CA)作為敏感膜來檢測水溶液中的NO，其中CdSe-QD通過簡單的雜交方法嵌入CA中。NO自由基可以很容易地與水中的溶解氧發生反應并與Cd2+發生配位，對敏感膜中CdSe-QDs的熒光有明顯的猝滅作用。使用這種新型的光纖傳感器，通過相位調制熒光法確定了NO濃度。如圖13所示，在最佳條件下，1.0×10-7～1.0×10-6mol/L檢測范圍中的線性擬合系數為0.990 8，最低檢測限達到了1.0×10-8mol/L。

圖13 不同濃度NO溶液的相位變化

鄧輝等[43]利用動態化學腐蝕法制備錐尖型光纖端面，以提拉法鍍溶膠凝膠敏感膜組裝了基于熒光猝滅的直徑僅1.5 μm的光纖氧溶液傳感探頭。探頭錐面的長徑比可通過調控腐蝕參數調控，構建相移測量系統，優化參數后進行0～21%范圍內的氧含量測定，工作曲線呈現良好的線性特征，擬合系數為0.999 6，偏差小于測量值的5%。此外，德國E+H公司研制的溶解氧傳感器Oxymax COS61D[44]，同樣基于熒光猝滅原理進行傳感。該傳感器檢測范圍0～20 mg/L，在<12 mg/L范圍內，最大測量誤差為±1%；在12～20 mg/L范圍內，最大測量誤差為±2%。

4.4 溫度檢測

溫度會使熒光強度降低產生熒光猝滅現象，基于熒光猝滅效應的光纖傳感技術也可以對溫度進行檢測。這種基于熒光猝滅效應的光纖傳感技術不受傳感器外部變形的影響，是一種能夠消除周圍環境和背景噪聲干擾的溫度選擇性傳感器。Zhao等[45]利用微結構雙拉錐結構光纖作為探針進行溫度的檢測,將Mg6As2O11∶Mn4+作為熒光材料。通過對熒光強度的解調，得到該溫度傳感器的精度為2 ℃，溫度范圍30～210 ℃，該微傳感器的響應時間比傳統傳感器快50～100倍。而日本安立(Anritsu)公司研制的熒光式光纖溫度計[46-47]已經完全商業化，達到了-195.0～450.0 ℃的檢測范圍，精度為0.1 ℃。其產品由FX系列發展到FL系列[48]，如圖14所示為FL-2000型號產品探頭結構。基于熒光猝滅原理，利用光纖前端表面存在的熒光物質進行溫度檢測，從接收激勵光到衰減的壽命作為溫度傳感信息。

圖14 FL-4000型號光纖探頭

4.5 其他領域應用

除了上述參量的檢測，基于熒光猝滅效應的光纖熒光傳感器也在其他領域檢測中得到了應用。Ton等[49]在光纖波導上涂覆含有熒光信號基團的MIP，MIP由萘基熒光單體組成，用于檢測除草劑中的2,4-二氯苯氧乙酸和桔霉素。萘基單體與分析物的羧酸基分子結合后熒光增強，從而降低了氮給電子的能力，阻止負責熒光猝滅的光誘導電子轉移，使MIP的熒光強度增強具有濃度依賴性。中國科學院軟物質化學重點實驗室Zhu等[50]利用三烯丙基異氰脲酸酯、烷烴二硫醇和酸堿D-天冬氨酸復合(PBIM/D-Asp)在光纖探針末端形成MIP膜用于D-Asp含量檢測，當pH值達到堿性條件時，PBIM結構會發生變化從而導致熒光猝滅。Nguyen等[51]制備了光纖探針，選擇吖啶作為熒光染料，利用Cl-的熒光猝滅效應對其進行檢測，檢測限達到0.1 mol/L。美國國家基礎科學研究中心Polley等[52]在光纖探頭表面交聯乙錠染料，實現對DNA的檢測。

5 未來發展

2017年，清華大學楊昌喜研究團隊提出一種由有機硅聚合物制成的可穿戴式光纖傳感器[53]，該傳感器能夠承受和檢測伸長率達100%的形變，可以實時、有效地感測人體運動。該有機硅聚合物為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，制造出的PDMS光纖表現出很好的機械柔韌性。為了輔助傳感，研究人員將熒光染料羅丹明B混入光纖中，當光通過光纖時，部分光被熒光染料吸收；光纖拉伸越大，染料吸收的光就越多，因此由分光鏡檢測投射光就可以測量光纖的拉伸和彎曲程度。

熒光材料選擇的多樣性決定了其應用領域的廣泛性，基于熒光猝滅效應的光纖傳感器結合了熒光和光纖的優點，應用前景可觀，但是目前光纖熒光傳感技術仍面臨一些挑戰。

5.1 增強集光能力

上述提及的空間光耦合型、微結構光纖型等多樣的光纖結構，目的都是為了使光纖能夠最大程度地收集產生的熒光，提高傳感器靈敏度的同時，減少雜散光的干擾。熒光猝滅材料中的共軛聚合物消光系數可達106L·mol-1·cm-1，具有較強的集光能力[54]；在HC-PCF空氣孔內進行熒光反應，能夠極大地接收熒光，但是其實驗要求高難以實用化。用多種方式增強光纖收集熒光的能力，仍然是目前的研究熱點。

5.2 提高熒光產率

熒光產率是指發射熒光的光子數n2與被激活物質從泵浦源吸收的光子數n1之比，是評價熒光材料性能最直觀的參考數據。目前的研究除了尋求和制備高熒光產率的熒光分子外，也會通過在原有熒光材料基礎上摻入雜質物質來提高。例如，釔摻雜的碳量子點熒光產率達到41%[55]，相較于未摻雜情況提升了17.3%。但目前熒光材料的熒光產率仍有待提高。而且通過從材料入手來提高熒光產率的方式，可以避免改變傳感系統性能來提高靈敏度，可靠性更強。

5.3 便攜實時原位檢測

原位檢測是不破壞待測物自身結構、狀態而進行的無損傷檢測方式，對于熒光猝滅光纖傳感來說至關重要。熒光檢測環境不能夠僅僅局限于在實驗室進行，最終目標仍然是實現便捷實時原位的現場檢測。目前熒光猝滅光纖傳感器產品已涉及爆炸物、水質等領域，但是設計緊湊便捷傳感系統結構、開拓更多應用領域、實時地實地快速檢測，仍然是研發工作人員的研究目標。

6 結 論

基于熒光猝滅效應的光纖傳感技術能夠有效地利用光纖體積小、抗干擾能力強等優點，實現快速、便捷地特異性檢測。本文以熒光猝滅原理為基礎，從傳感光纖結構、基于熒光猝滅效應的光纖傳感器應用兩個方面簡要敘述了光纖與熒光檢測的結合機理及傳感器相關應用。基于熒光猝滅的光纖傳感器有望作為類纖維嵌入衣物中，從而實現實時的智能傳感。而基于熒光猝滅效應的光纖傳感技術也面臨挑戰，未來將朝著集光能力更強、熒光產率更高、便攜實時原位檢測方向發展。