基于荧光猝灭效应的光纤传感器研究进展

陈 静，杨 曌，黄宇豪，周明辉，赵奔阳，夏 历，李 微

(华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

1 引 言

荧光检测法具有极高的灵敏度、良好的鉴别性和实时监测性，可以很好地将化学问题物理化处理[1]。2020年1月，新型冠状病毒肺炎疫情(简称新冠肺炎)全面爆发。荧光聚合酶链式反应(PCR)检测仪在病毒确诊中起着关键作用[2]；但荧光PCR检测仪仍在一些缺点，例如对操作人员及操作技术要求高、检测时间长、仪器体积庞大不易携带等[3]。而光纤具有体积小、价格便宜等优势，如果将光纤与荧光检测技术相结合，可以避免上述缺点。

荧光猝灭是指溶剂分子使荧光分子发生猝灭的现象[4]。1931年，Kautsky在叶绿素荧光诱导实验[5-6]中发现氧分子可以猝灭荧光，于是提出荧光猝灭原理[7]。氧分子、重金属离子、温度等都可以作为“荧光猝灭剂”，对荧光强度产生猝灭作用，基于荧光猝灭效应的传感器有效地利用了这一特点，具有重大的研究意义和应用价值。

本文以基于荧光猝灭效应的光纤传感器为主题，通过对传感光纤结构进行分类的方式，详细地阐述了光纤与荧光检测的有机结合，综述了基于荧光猝灭效应的光纤传感器的应用领域，最后对其未来发展进行了展望。

2 荧光猝灭原理

2.1 荧光检测机理

当光照射到某物质上时，其原子核周围的电子吸收光能量，从基态跃迁到高能级激发态。由于单线态的不稳定性，电子会恢复到基态自发辐射产生荧光，该现象称为弛豫[8]，荧光光谱较吸收光谱波长的红移称为斯托克斯位移[9]。根据待测物的不同，可以通过解调发射光谱[10-11]、荧光强度[12-13]和荧光寿命[14-15]等参数来定量分析待测物。荧光检测法主要是基于具有荧光效应的物质进行直接检测或利用荧光染料标记法进行间接检测。

2.2 荧光猝灭效应

荧光猝灭可以简单地描述为通过荧光分子和猝灭分子的相互作用来减少荧光分子的荧光强度[16]。荧光猝灭可以分为两个类别，分别是静态猝灭和动态猝灭。静态猝灭指两分子弱结合形成的复合物使荧光完全消失；动态猝灭则是一种电子转移或能量转移的过程，荧光的猝灭程度和猝灭剂有关[17-18]。动态猝灭主要包括：浓度猝灭、杂质猝灭、温度猝灭等，其过程通常遵循Stern-Volmer方程：

(1)

其中，I0、τ0、I和τ分别是浓度为CQ的指示剂染料在不存在和存在猝灭剂时的荧光强度和荧光寿命；KSV是Stern-Volmer猝灭常数，单位通常为浓度单位的倒数，与猝灭剂的猝灭效率有关。荧光信号取决于猝灭剂浓度，所以在包含或添加了荧光化合物的样品中，可以通过猝灭作用来确定其信息。

3 传感光纤结构

3.1 空间光耦合型

光纤在荧光检测中最简单的应用是将其用于激发光和接收光的传输，荧光检测过程则在光纤外的空间中进行。由于激发光纤和接收光纤的分离式结构会导致大部分的荧光信号丢失，所以经典的结构是由1根激发光纤和6根接收光纤构成的组合光纤[19]。但是在该光纤模式中，大量的入射光会被耦合进入低阶模式，并且被噪声信号干扰的接收光纤存在阈值饱和问题，影响荧光信号的解调。为解决上述问题，Sandra等[20]将两根标准多模光纤组成一个直径约为150 μm的光纤探针，如图1所示。该结构的传输功率损耗小于0.2 dB，由于波导纤芯不耦合，不会造成无关干扰。Moradi等[21]则利用微流控芯片的高度集成化、低消耗等优势，提出如图2所示的蛇形通道微流控结构，同样可以有效地减少信号干扰。

图1 双光纤探针的端面(a)、组成材料(b)、传感探头(c)。

图2 蛇形结构微流控芯片

3.2 微结构光纤型

光在纤芯中以驻波形式传输，传输过程中光波会部分透射进入光纤包层大约一个波长深度，而后反射回到纤芯。如图3所示，该透射光波的振幅随穿透深度的增加呈指数衰减，故称为倏逝波[22]。拉锥光纤、裸芯光纤等微结构光纤可以有效地使倏逝波泄露，光纤泄露的倏逝波则可以激发荧光物质产生荧光。

图3 光纤倏逝波原理图

Li等利用拉锥光纤结构搭建了如图4(a)所示的荧光传感系统[23]，激光光源在光纤拉锥区泄露倏逝波，从而激发荧光染料罗丹明6G产生荧光。荧光信号在拉锥区域产生并且耦合进入光纤，图4(b)～(d)分别表示自然状态、激光入射时和激发荧光时锥形光纤的扫描电子显微镜图像。

图4 拉锥光纤荧光传感系统的实验装置。(a)显微镜下的自然状态；(b)激光入射；(c)荧光激发；(d)图像。

上述实验中需要将拉锥光纤嵌入检测皿中，无法实现方便快速地进行检测，Zhang等[24]提出裸芯结构的光纤探针，直接将制备好的光纤探针伸入大肠杆菌溶液中进行快速检测。图5(a)为光纤荧光传感系统，图5(b)为裸芯锥形光纤结构，利用管腐蚀法来去除光纤包层。而上述光纤探针不具有特异性检测能力，Zhang等[25]在原有结构的基础上用化学手段功能化处理光纤探针，使光纤探针表面交联抗体，抗体能够与大肠杆菌特异性结合。如图5所示，实验用荧光染料碘化丙啶标记了大肠杆菌死菌，倏逝波激发碘化丙啶产生荧光，实现了对死菌的检测。

图5 裸芯光纤探针荧光传感系统的实验装置(a)与裸芯结构(b)

图6 功能化处理光纤探针原理图

3.3 空心光纤

荧光检测过程都需要在暗室中进行，避免外界环境因素对检测结果产生较大影响。如果将荧光检测过程置于空心光子晶体光纤(HC-PCF)中进行，则可以有效地抵抗环境的干扰。并且HC-PCF通过纤芯空气孔导光提供基模传输，能够将99%的光都限制在纤芯内传输，实现低损耗传输[26]。为估算HC-PCF纤芯传播模式数，Cregan等[27]推导了近似估算公式如下：

(2)

(3)

其中，NPBG为传播的导模数，n1为纤芯折射率，βH、βL分别为定波长下传播常数最大值和最小值。由公式可知，HC-PCF纤芯半径必须适中，以接近理想传输模式。在该原理基础上，Chen等[28]提出如图7所示的HCPCF结构，空心孔尺寸为4.8 μm。包层孔用融合拼接技术密封，中心孔保持开放，并允许通过聚合诱导发射(AIE)分子溶液。在基于该结构的AIE分子检测中，仅需0.36 nL样本就可以完成实验。HC-PCF结构设计多样，Yu等[29]设计并制造了如图8所示的HC-PCF结构，将花青素Cy3、Cy5的混合溶液作为荧光染料注入到中空纤芯中，成功实现了激光的荧光共振能量转移。

图7 基于AIE诱导分子的HC-PCF传感原理图

图8 基于花青素染料的HC-PCF结构

4 基于荧光猝灭效应的光纤传感器应用

4.1 重金属离子检测

工业排出的污水中还有大量的Cu2+、Fe3+、Hg2+等重金属离子，重金属离子对人体危害极大，痕量重金属离子的检测也是研究热点[30-31]。利用重金属离子对荧光的猝灭效应，基于荧光猝灭效应的光纤传感器也广泛应用于重金属离子检测中。Zhou等[32]在裸芯光纤探针结构表面交联碲化镉(CdTe)量子点(QDs)，并掺杂水凝胶。QDs是把激子在三维空间方向上束缚住的半导体纳米结构作为一种特殊的纳米材料，具有特殊的光学、电学性质[33-34]。在该结构中，QDs可以被扩散到水凝胶基质，待测液中的Fe3+对其进行选择性猝灭，可用于实时现场检测。传感器浓度响应在0～3.5 μmol/L范围内呈线性，检测限为14 nmol/L。Liu等[35]利用聚乙烯醇将AgInZnS-QDs沉积在光纤尖端制成光纤探针检测Cu2+含量，如图9所示为检测过程中的光谱图和其浓度响应。随着浓度的增加，荧光强度逐渐减小，在2.5～800 nmol/L浓度范围传感器呈线性响应。

窖内堆放薯块的高度，因品种和窖的条件而不同。地下或半地下窖堆放时，不耐藏的、易发芽的品种堆高为0.5～l米；耐贮藏、休眠期中等的品种堆高1.5～2米；耐贮藏、休眠期长的品种堆高2～3米.但最高不宜超过3米。同时还要考虑贮藏窖的容积，贮藏量不能超过全窖容积的2/3，最好为1/2左右，以便管理。沟藏时薯堆高度以l米左右为宜。

图9 用于Cu2+检测的AgInZnS-QDs光纤探针光谱(a)与浓度响应(b)

Helena等[36]提出一种基于碳点纳米颗粒的Hg2+浓度传感系统，该纳米颗粒利用溶胶-凝胶方法在光纤探针表面生成一层薄膜。实验可检测亚微米级浓度的Hg2+水溶液，在pH=6.8环境下，其Stern-Volmer常数KSV达到5.3×105L/mol。为寻求更加便捷的实验装置，Liu等[37]用智能手机取代光谱仪，利用硒化镉/硫化锌(CdSe/ZnS)QDs改性后的光纤探针进行Hg2+检测。如图10所示为QDs改性原理图，QDs通过键合的方式与光纤探针表面交联。荧光信号由智能手机收集和处理，最终得到检测范围为1～1 000 nmol/L，检测限可以达到1 nmol/L。

图10 CdSe/ZnS-QDs QDs改性原理

4.2 爆炸物检测

微量炸药的准确测量与国际安全和日常生活安全息息相关，光纤荧光传感技术因其方便、快捷、灵敏度高等优点成为炸药检测领域的关键技术之一。中国科学院上海微系统与信息技术研究所从2005年开始研制的SIM系列痕量爆炸物探测器[38]，采用了荧光聚合物猝灭传感技术。通过擦拭采样或吸气采样，可以快速检测三硝基甲苯(TNT)、二硝基甲苯(DNT)、硝化甘油(NG)、硝酸铵(AN)、黑火药(BP)、塑性炸药(C4)等爆炸物。Chu等[39]基于荧光猝灭原理对硝基芳香族炸药TNT进行检测，将光纤绕棒缠绕构成的螺旋结构作为传感部位，荧光猝灭剂为聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)，测定荧光强度和寿命来确定TNT浓度，传感器灵敏度达到了5 ng/mL。

中国科学院软物质化学重点实验室Liu等[40]制作了锥形光纤探针，并交联荧光多孔聚合物膜结合在其表面，其存在的多面体低聚硅倍半氧烷(POSS)使膜呈现出有序的多孔结构，同时该膜存在具有聚集诱导发射特性的四苯基乙烯(TPE)以产生强烈的荧光。利用激光光源激发荧光对TNT和DNT浓度进行检测，图11为TNT检测的光谱和浓度响应；TNT浓度在100×10-9情况下，荧光猝灭在30 s时达到25.2%，在120 s时达到51.8%，在5 min内达到了73.5%。TPE及其衍生物具有聚集诱导发光特性，在光电材料领域应用前景广阔。Yang等[41]提出了基于荧光猝灭效应的HC-PCF挥发性痕量炸药传感器，该传感器是将烯丙基四苯乙烯(AL-TPE)荧光纳米薄膜涂覆在HC-PCF芯空气孔内。如图12所示为AL-TPE膜与TNT之间的电子转移过程，激发态AL-TPE分子与处于基态的爆炸分子之间发生电子转移，导致荧光强度降低，产生猝灭效应。当膜厚为155 nm时，对TNT的检测灵敏度达到了0.309×109，最小检测限0.340×10-9；膜厚为110 nm时，DNT的响应时间达到120 s。

图11 用于TNT检测的光纤锥形探针光谱(a)与浓度响应(b)

图12 AL-TPE膜和TNT之间的电子转移过程

4.3 溶解气体检测

溶解气体的精准检测在环境、生物、工业领域都具有重要意义，例如一氧化氮(NO)溶液的浓度检测可以诊断高血压、心衰、糖尿病等疾病，氧溶液的检测可以应用于污水处理厂、自来水厂水质的诊断。许多气体分子对荧光存在猝灭效应，因此也开拓了基于荧光猝灭效应的光纤传感器在溶解气体检测领域的应用。Ding等[42]搭建了荧光探针结构传感系统，将CdSe-QDs和醋酸纤维素(CA)作为敏感膜来检测水溶液中的NO，其中CdSe-QD通过简单的杂交方法嵌入CA中。NO自由基可以很容易地与水中的溶解氧发生反应并与Cd2+发生配位，对敏感膜中CdSe-QDs的荧光有明显的猝灭作用。使用这种新型的光纤传感器，通过相位调制荧光法确定了NO浓度。如图13所示，在最佳条件下，1.0×10-7～1.0×10-6mol/L检测范围中的线性拟合系数为0.990 8，最低检测限达到了1.0×10-8mol/L。

图13 不同浓度NO溶液的相位变化

邓辉等[43]利用动态化学腐蚀法制备锥尖型光纤端面，以提拉法镀溶胶凝胶敏感膜组装了基于荧光猝灭的直径仅1.5 μm的光纤氧溶液传感探头。探头锥面的长径比可通过调控腐蚀参数调控，构建相移测量系统，优化参数后进行0～21%范围内的氧含量测定，工作曲线呈现良好的线性特征，拟合系数为0.999 6，偏差小于测量值的5%。此外，德国E+H公司研制的溶解氧传感器Oxymax COS61D[44]，同样基于荧光猝灭原理进行传感。该传感器检测范围0～20 mg/L，在<12 mg/L范围内，最大测量误差为±1%；在12～20 mg/L范围内，最大测量误差为±2%。

4.4 温度检测

温度会使荧光强度降低产生荧光猝灭现象，基于荧光猝灭效应的光纤传感技术也可以对温度进行检测。这种基于荧光猝灭效应的光纤传感技术不受传感器外部变形的影响，是一种能够消除周围环境和背景噪声干扰的温度选择性传感器。Zhao等[45]利用微结构双拉锥结构光纤作为探针进行温度的检测,将Mg6As2O11∶Mn4+作为荧光材料。通过对荧光强度的解调，得到该温度传感器的精度为2 ℃，温度范围30～210 ℃，该微传感器的响应时间比传统传感器快50～100倍。而日本安立(Anritsu)公司研制的荧光式光纤温度计[46-47]已经完全商业化，达到了-195.0～450.0 ℃的检测范围，精度为0.1 ℃。其产品由FX系列发展到FL系列[48]，如图14所示为FL-2000型号产品探头结构。基于荧光猝灭原理，利用光纤前端表面存在的荧光物质进行温度检测，从接收激励光到衰减的寿命作为温度传感信息。

图14 FL-4000型号光纤探头

4.5 其他领域应用

除了上述参量的检测，基于荧光猝灭效应的光纤荧光传感器也在其他领域检测中得到了应用。Ton等[49]在光纤波导上涂覆含有荧光信号基团的MIP，MIP由萘基荧光单体组成，用于检测除草剂中的2,4-二氯苯氧乙酸和桔霉素。萘基单体与分析物的羧酸基分子结合后荧光增强，从而降低了氮给电子的能力，阻止负责荧光猝灭的光诱导电子转移，使MIP的荧光强度增强具有浓度依赖性。中国科学院软物质化学重点实验室Zhu等[50]利用三烯丙基异氰脲酸酯、烷烃二硫醇和酸碱D-天冬氨酸复合(PBIM/D-Asp)在光纤探针末端形成MIP膜用于D-Asp含量检测，当pH值达到碱性条件时，PBIM结构会发生变化从而导致荧光猝灭。Nguyen等[51]制备了光纤探针，选择吖啶作为荧光染料，利用Cl-的荧光猝灭效应对其进行检测，检测限达到0.1 mol/L。美国国家基础科学研究中心Polley等[52]在光纤探头表面交联乙锭染料，实现对DNA的检测。

5 未来发展

2017年，清华大学杨昌喜研究团队提出一种由有机硅聚合物制成的可穿戴式光纤传感器[53]，该传感器能够承受和检测伸长率达100%的形变，可以实时、有效地感测人体运动。该有机硅聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，制造出的PDMS光纤表现出很好的机械柔韧性。为了辅助传感，研究人员将荧光染料罗丹明B混入光纤中，当光通过光纤时，部分光被荧光染料吸收；光纤拉伸越大，染料吸收的光就越多，因此由分光镜检测投射光就可以测量光纤的拉伸和弯曲程度。

荧光材料选择的多样性决定了其应用领域的广泛性，基于荧光猝灭效应的光纤传感器结合了荧光和光纤的优点，应用前景可观，但是目前光纤荧光传感技术仍面临一些挑战。

5.1 增强集光能力

上述提及的空间光耦合型、微结构光纤型等多样的光纤结构，目的都是为了使光纤能够最大程度地收集产生的荧光，提高传感器灵敏度的同时，减少杂散光的干扰。荧光猝灭材料中的共轭聚合物消光系数可达106L·mol-1·cm-1，具有较强的集光能力[54]；在HC-PCF空气孔内进行荧光反应，能够极大地接收荧光，但是其实验要求高难以实用化。用多种方式增强光纤收集荧光的能力，仍然是目前的研究热点。

5.2 提高荧光产率

荧光产率是指发射荧光的光子数n2与被激活物质从泵浦源吸收的光子数n1之比，是评价荧光材料性能最直观的参考数据。目前的研究除了寻求和制备高荧光产率的荧光分子外，也会通过在原有荧光材料基础上掺入杂质物质来提高。例如，钇掺杂的碳量子点荧光产率达到41%[55]，相较于未掺杂情况提升了17.3%。但目前荧光材料的荧光产率仍有待提高。而且通过从材料入手来提高荧光产率的方式，可以避免改变传感系统性能来提高灵敏度，可靠性更强。

5.3 便携实时原位检测

原位检测是不破坏待测物自身结构、状态而进行的无损伤检测方式，对于荧光猝灭光纤传感来说至关重要。荧光检测环境不能够仅仅局限于在实验室进行，最终目标仍然是实现便捷实时原位的现场检测。目前荧光猝灭光纤传感器产品已涉及爆炸物、水质等领域，但是设计紧凑便捷传感系统结构、开拓更多应用领域、实时地实地快速检测，仍然是研发工作人员的研究目标。

6 结 论

基于荧光猝灭效应的光纤传感技术能够有效地利用光纤体积小、抗干扰能力强等优点，实现快速、便捷地特异性检测。本文以荧光猝灭原理为基础，从传感光纤结构、基于荧光猝灭效应的光纤传感器应用两个方面简要叙述了光纤与荧光检测的结合机理及传感器相关应用。基于荧光猝灭的光纤传感器有望作为类纤维嵌入衣物中，从而实现实时的智能传感。而基于荧光猝灭效应的光纤传感技术也面临挑战，未来将朝着集光能力更强、荧光产率更高、便携实时原位检测方向发展。