研究团队成功研制黑磷光纤传感器 实现对重金属离子的超灵敏检测

近日，中国科学院深圳先进技术研究院吕建成研究员、喻学锋研究员与英国班戈大学陈险峰教授等合作，成功研制出首个基于黑磷的光纤化学传感器，实现对重金属离子的超灵敏检测。相关论文Black phosphorus integrated tilted fiber grating for ultrasensitive heavy metal sensing（黑磷倾斜光纤光栅传感器及其超灵敏重金属离子检测）发表在JCR一区期刊Sensors and Actuators B: Chemical（《传感器和致动器 B: 化学》）上。

倾斜光纤光栅是一种新型的光纤器件，大角度倾斜光栅结构能够将纤芯光学基模前向耦合到光纤包层，在特定的波长形成一系列离散的谐振峰，光的耦合将随着外界媒质折射率等的变化而变化，因此倾斜光纤光栅是非常适合作为传感应用的光子器件。黑磷是近年来广受关注的一种具有直接带隙二维半导体材料，具有独特的二维平面结构、超高的比表面积、众多的活性位点，以及从可见到红外广阔的光谱响应范围，在光学检测方面展现出巨大的潜在应用前景。

本项工作中，研究团队首次将黑磷和倾斜光纤光栅相结合，揭示了黑磷纳米层独特的光学调制作用，借助于倾斜光栅这种独特的光学结构构建成新型的超灵敏化学传感器。本研究发展了一种原位层叠的修饰技术，将黑磷纳米片高效地附着在光纤器件表面，不同厚度的黑磷纳米层展现出对光信号独特的调制性。利用这一特性，该黑磷光纤传感器能够在亚ppb浓度水平检测到重金属铅离子，具有超高的灵敏度、超低的检测限，以及广阔的浓度检测范围。基于黑磷的新型光纤传感器的成功研发，为化学和生物传感提供了一个优越的光学检测平台，将极大地推动黑磷化学生物传感器的应用研究进程。

本项研究得到了欧盟“第七框架计划”、国家自然科学基金和中科院前沿科学重点项目的资助。

图：a) 黑磷倾斜光纤光栅器件及其光学调制示意图，b) 重金属离子检测的实验步骤，c) 不同重金属离子浓度下TM模式共振的光谱图，d) 不同重金属离子浓度下光谱的共振强度图