基于NCF和MOF传感器的折射率与温度双参数同时检测的实验研究

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Experimental Study on Simultaneous Detection of Dual Parameters of Refractive Index and Temperature Based on NCF and MOF Sensors

折射率与温度同步检测传感器研究：基于无芯光纤（NCF）和光子晶体光纤（MOF）的表面等离子体共振（SPR）传感器，通过Ag/Cu/PDMS复合镀层优化性能，实现1.333-1.399 RI和0-100°C检测范围，灵敏度达5333.3 nm/RIU和6.5 nm/°C，稳定性测试误差<0.5%，适用于生物化学传感。

　　本研究聚焦于开发一种能够同时检测折射率（RI）和温度（T）的新型传感器，其核心在于利用非芯光纤（NCF）和微结构光纤（MOF）作为传感探头，并结合金属薄膜与聚合物复合材料进行表面处理。该传感器的构建旨在解决传统单参数检测设备在实际应用中可能存在的误差累积问题，特别是在需要同时获取多个物理参数信息的场景下，例如生物化学分析、环境监测和医疗检测等领域。由于折射率和温度的变化往往相互影响，因此，实现两者的同时测量不仅能够提高检测的准确性，还能增强系统的可靠性。

为了实现这一目标，研究人员采用了一种分层设计思路，将NCF和MOF分别作为主要的传感结构，并在其表面进行不同的金属涂层处理。对于NCF基传感器，仅使用银（Ag）薄膜进行折射率检测，而在温度检测部分则采用了Ag与聚二甲基硅氧烷（PDMS）的复合涂层。相比之下，MOF基传感器则在温度检测区域引入了铜（Cu）、Ag和PDMS的三元复合材料。通过这种设计，不仅能够实现对RI和T的独立检测，还能提升整体的灵敏度和稳定性。

在实验过程中，研究人员使用磁控溅射设备对光纤进行金属涂层处理，通过控制溅射时间来调节涂层厚度。为了进一步优化传感器性能，对传感探头的长度进行了测试和调整，最终确定了最佳长度为2.0厘米。在该长度下，NCF基传感器能够实现折射率范围为1.333至1.381，温度范围为0至70°C的检测能力，其折射率灵敏度为4000 nm/RIU，温度灵敏度为3.5 nm/°C。而MOF基传感器则表现出更宽的检测范围，折射率覆盖1.333至1.399，温度范围扩展至0至100°C，对应的折射率灵敏度和温度灵敏度分别达到5333.3 nm/RIU和6.5 nm/°C。这些数据表明，MOF基传感器在灵敏度和检测范围上均优于NCF基传感器。

在实际应用中，传感器的稳定性是一个关键因素。为了验证传感器在重复实验中的性能表现，研究人员进行了双参数稳定性测试。结果显示，无论是NCF基还是MOF基传感器，其在多次测试过程中均表现出极小的误差变化，说明这两种传感器结构具有良好的重复性和一致性。这一特性对于需要长时间监测或在复杂环境中工作的传感器尤为重要，因为它能够确保数据的可靠性和可重复性。

除了传感器的结构和材料选择，研究还关注了不同涂层材料对传感性能的影响。银因其高灵敏度和较低的成本而被广泛用于折射率检测，但在潮湿环境中容易氧化，这可能会影响其长期稳定性。相比之下，铜具有更高的导电性和更窄的表面等离子体共振（SPR）曲线，这使得它在高分辨率检测中表现出色。然而，铜的使用也伴随着一些挑战，例如其氧化问题和对环境条件的敏感性。因此，研究人员在MOF基传感器中采用了Ag/Cu/PDMS的复合涂层，以结合Ag的高灵敏度和Cu的优异性能，同时利用PDMS的柔韧性和温度敏感性来提升整体的传感效果。

此外，研究还涉及了传感探头的类型选择。非芯光纤（NCF）作为一种结构简单的光导体，具有良好的光传导能力和易于制备的优势。而微结构光纤（MOF）则因其独特的结构设计，能够提供更高的光操控能力和更灵活的传感性能。通过将MOF引入到传感器结构中，研究人员发现其在温度检测方面具有显著的提升效果，这可能是由于MOF的结构特性使其能够更好地与周围环境相互作用，从而提高对温度变化的响应能力。

为了进一步验证传感器的性能，研究团队还对不同涂层时间和光纤长度的影响进行了详细分析。结果显示，金属涂层的厚度对传感性能具有重要影响，过厚或过薄的涂层都可能影响传感器的灵敏度和响应速度。因此，通过精确控制溅射时间，研究人员能够获得最佳的涂层效果，从而确保传感器在检测过程中的稳定性和准确性。同时，光纤长度的优化也是提升传感器性能的关键步骤，适当的长度可以增强光信号的传播和反射，提高传感器对微小变化的捕捉能力。

在实际应用中，这种双参数传感器可以广泛用于生物化学检测、环境监测、医疗诊断和食品质量分析等领域。由于其高灵敏度和稳定性，它能够提供精确的检测数据，帮助研究人员更好地理解物质的性质变化和反应过程。此外，传感器的小尺寸和抗电磁干扰特性也使其适用于需要紧凑设计和实时监测的场景。例如，在医疗领域，这种传感器可以用于检测体液中的微量成分变化，从而辅助疾病的早期诊断；在环境监测中，它可以用于检测水质的变化，提供关于污染程度和生态状态的重要信息。

综上所述，这项研究通过创新的结构设计和材料选择，成功开发了一种能够同时检测折射率和温度的新型传感器。NCF和MOF作为传感探头，分别结合了银和铜等金属材料，以及PDMS等聚合物材料，实现了对两个关键参数的高精度测量。实验结果表明，该传感器在灵敏度和稳定性方面表现出色，能够满足多种应用场景的需求。未来，随着传感器技术的不断发展，这类双参数检测设备有望在更多领域中得到应用，为科学研究和实际工程提供更加可靠和高效的技术支持。