研究團(tuán)隊(duì)成功研制黑磷光纖傳感器 實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的超靈敏檢測(cè)

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院呂建成研究員、喻學(xué)鋒研究員與英國(guó)班戈大學(xué)陳險(xiǎn)峰教授等合作，成功研制出首個(gè)基于黑磷的光纖化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬離子的超靈敏檢測(cè)。相關(guān)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(cè)）發(fā)表在JCR一區(qū)期刊Sensors and Actuators B: Chemical（《傳感器和致動(dòng)器 B: 化學(xué)》）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(jié)構(gòu)能夠?qū)⒗w芯光學(xué)基模前向耦合到光纖包層，在特定的波長(zhǎng)形成一系列離散的諧振峰，光的耦合將隨著外界媒質(zhì)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(yīng)用的光子器件。黑磷是近年來廣受關(guān)注的一種具有直接帶隙二維半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的二維平面結(jié)構(gòu)、超高的比表面積、眾多的活性位點(diǎn)，以及從可見到紅外廣闊的光譜響應(yīng)范圍，在光學(xué)檢測(cè)方面展現(xiàn)出巨大的潛在應(yīng)用前景。

本項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)首次將黑磷和傾斜光纖光柵相結(jié)合，揭示了黑磷納米層獨(dú)特的光學(xué)調(diào)制作用，借助于傾斜光柵這種獨(dú)特的光學(xué)結(jié)構(gòu)構(gòu)建成新型的超靈敏化學(xué)傳感器。本研究發(fā)展了一種原位層疊的修飾技術(shù)，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(duì)光信號(hào)獨(dú)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(cè)到重金屬鉛離子，具有超高的靈敏度、超低的檢測(cè)限，以及廣闊的濃度檢測(cè)范圍?；诤诹椎男滦凸饫w傳感器的成功研發(fā)，為化學(xué)和生物傳感提供了一個(gè)優(yōu)越的光學(xué)檢測(cè)平臺(tái)，將極大地推動(dòng)黑磷化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用研究進(jìn)程。

本項(xiàng)研究得到了歐盟“第七框架計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金和中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。

圖：a) 黑磷傾斜光纖光柵器件及其光學(xué)調(diào)制示意圖，b) 重金屬離子檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度圖