深圳先進院研制出黑磷光纖傳感器 實現(xiàn)對重金屬離子的超靈敏檢測

近日，中國科學院深圳先進技術研究院研究員呂建成、喻學鋒與英國班戈大學教授陳險峰等合作，成功研制出首個基于黑磷的光纖化學傳感器，實現(xiàn)對重金屬離子的超靈敏檢測。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(xiàn)出巨大的應用前景。
該研究中，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(diào)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(fā)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(xiàn)出對光信號獨特的調(diào)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。黑磷新型光纖傳感器的成功研發(fā)，將為化學和生物傳感提供一個優(yōu)越的光學檢測平臺，從而推動黑磷化學生物傳感器的應用研究進程。相關研究成果發(fā)表于Sensors and Actuators B: Chemical。該研究得到了國家自然科學基金、歐盟“第七框架計劃”等的資助。

圖 a)：黑磷傾斜光纖光柵器件及其光學調(diào)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