基于外置光纤方案的光学传感器芯片：从生化检测到物理传感的多领域应用

《IEEE Sensors Reviews》：Optical Sensor Chips Monitored via Extrinsic Optical Fiber Schemes

本刊推荐：为解决远程、高灵敏传感的技术难题，研究人员系统综述了外置光纤（OF）光学传感器芯片的最新进展。通过结合3D打印、喷墨印刷、分子印迹聚合物（MIP）及电子束光刻（EBL）等创新技术，该研究实现了对生物分子（如免疫球蛋白G、白蛋白）和物理量（如磁场、位移）的超高灵敏度检测（检测限低至阿摩尔级别），为临床诊断、环境监测及工业物联网（IoT）提供了高性能、低成本的新型传感平台。

　　

在当今传感技术飞速发展的时代，如何实现远距离、高灵敏度、抗电磁干扰的实时监测已成为工业、医疗和环境领域的核心挑战。传统传感技术往往受限于复杂的操作环境、高昂的成本或有限的检测范围，尤其在危险区域或生物体内等难以触及的场景中更是捉襟见肘。光学纤维（OF）凭借其独特的物理特性——如柔韧性、化学稳定性及信号低损耗传输能力——为突破这些瓶颈提供了全新思路。然而，光学传感器根据光纤在传感过程中的作用可分为两大类：内置式（intrinsic）和外置式（extrinsic）。前者要求光纤直接与环境相互作用，限制了其适用场景；后者则巧妙地将光纤作为纯光波导，仅负责输入和收集光信号，而将复杂的传感功能交给独立的“黑箱”芯片完成。这种外置式设计不仅实现了真正的远程监测，还大幅提升了系统的灵活性和可定制性，为新一代智能传感技术奠定了基础。

为系统梳理外置光纤传感技术的最新进展，意大利坎帕尼亚大学的研究团队在《IEEE Sensors Reviews》上发表了题为“Optical Sensor Chips Monitored via Extrinsic Optical Fiber Schemes”的综述文章。该研究深入探讨了外置光纤传感平台在不同领域的应用，重点分析了其制作工艺、性能指标及优缺点，为相关领域的研究人员和工程师提供了宝贵的技术参考。

研究人员在综述中重点采用了以下几项关键技术方法：一是利用3D打印和喷墨印刷技术构建可定制化的波导芯片（如I形、V形结构）；二是通过表面等离子体共振（SPR）和局域表面等离子体共振（LSPR）效应增强光与物质的相互作用；三是结合分子印迹聚合物（MIP）、纳米分子印迹聚合物（nanoMIP）和抗体等生物/化学受体实现高选择性检测；四是采用电子束光刻（EBL）制备金纳米光栅（GNG）等纳米结构以提升灵敏度；五是基于法珀干涉（FPI）原理开发物理量（如磁场、力、位移）传感器。所有传感平台均通过塑料光纤（POF）或玻璃光纤实现光信号传输，并通过实验验证了其在实际样本（如血清、咖啡、水体）中的检测能力。

外置光纤传感方案用于生化检测

本章节详细介绍了外置光纤传感在生物分子检测中的应用，重点突出了多种创新芯片设计与功能化策略。

3D打印生物/化学芯片

通过3D打印技术，研究人员可灵活设计并快速制作各种波导结构。例如，Arcadio等人利用紫外固化光学粘合剂制作了I形SPR传感器，其灵敏度达1705 nm/RIU（折射率单位），并成功实现了对免疫球蛋白G（IgG）的飞摩尔级检测。Del Prete等人进一步开发了V形芯片，可利用智能手机的LED和摄像头进行检测，极大降低了设备成本。Huang团队则通过在光纤端面3D打印螺旋光栅锥形金 tip，实现了紧凑型SPR传感器（灵敏度333 nm/RIU），为原位快速检测提供了新思路。

喷墨印刷生物/化学芯片

喷墨印刷技术为传感器制作带来了高精度、低成本的解决方案。Cennamo等人利用喷墨3D打印制作了带有通道的基底，并通过填充光学粘合剂形成波导，实现了710 nm/RIU的折射率灵敏度。通过优化金属双层（如银-金）结构，该传感器对p27Kip1蛋白的检测限可达55 pM。此外，在波导表面印刷规则银纳米线图案可显著提升传感器性能，如纵向图案的2-糠醛（2-FAL）检测限低至0.031 ppm。

基于创新材料的生物/化学芯片

为提升传感器的生物相容性与性能，研究人员探索了多种新型材料。细菌纤维素（BC）因其高纯度、纳米纤维结构和可生物降解性被用作LSPR传感器基底，通过溅射金薄膜形成金纳米线网络，实现了高灵敏度折射率检测。Cennamo团队开发的勺形SPR传感器则利用其独特的几何结构（平面颈部和凹面碗部）同时激发多个等离子体共振区域，并通过结合纳米分子印迹聚合物（nanoMIP）和抗体受体，实现了对人血清 albumin（HSA）跨8个数量级的浓度检测。

基于电子束光刻（EBL）的生物/化学等离子体芯片

电子束光刻技术可精确制备纳米结构以提升传感器性能。Arcadio等人利用EBL在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底上制作了金纳米光栅（GNG），并通过不同的3D打印金属支架实现了对牛血清白蛋白（BSA）的高灵敏度检测（检测限23-37 pM）。通过优化受体类型（如抗体、雌激素受体），该平台还可用于白细胞介素-6（IL-6）和纳米塑料的检测，检测范围覆盖1 fM至10⁶ ng/mL。

外置光纤传感方案用于物理传感

外置光纤传感技术同样在物理量监测中展现出巨大潜力，尤其在工业自动化和结构健康监测领域。

磁场传感器

Kendir和Yaltkaya提出了一种基于法珀干涉（FPI）的外置光纤磁场传感器。该传感器利用磁致伸缩材料Terfenol-D棒在磁场作用下的形变来改变法珀腔长度，从而通过光谱偏移反映磁场强度变化。在双激光配置下，传感器灵敏度显著提升，位移梯度达16%，适用于长距离磁场测量。

力传感器

Zou等人利用飞秒激光诱导双光子聚合技术在光纤端面制作了聚合物夹紧梁探针，用于纳米级力测量。该传感器基于法珀干涉原理，灵敏度达-1.51 nm/μN，可检测低至54.9 nN的微小力。Pevec和Donlagic则开发了基于毛细管和薄膜结构的微型法珀力传感器，可在液体环境中通过表面张力测量负向力，拓展了其在生物医学中的应用。

位移传感器

Moreno-Hernandez等人利用锥形光纤和镀金反射靶标设计了基于法珀干涉的位移传感器，检测范围可达80 mm，分辨率达5 μm。Tian团队通过在中空核心光纤（HCF）内插入金包覆二氧化硅微球构建了法珀腔，实现了0-80 μm范围内的位移测量，灵敏度高达11.9 pm/nm，分辨率达1.7 nm。

结论与展望

本综述系统总结了外置光纤传感技术的最新进展，突出了其在生化检测与物理传感中的广泛应用。通过结合新型材料（如细菌纤维素、分子印迹聚合物）、先进制造工艺（如3D打印、电子束光刻）和多功能受体（如抗体、适体），外置光纤传感器实现了超高灵敏度（阿摩尔级检测限）、宽检测范围（跨8个数量级）和卓越的选择性。其模块化设计、远程监测能力以及与微流控、物联网（IoT）技术的天然兼容性，为临床诊断、环境监测和工业自动化提供了强大支持。

未来，外置光纤传感技术将进一步向多功能集成化方向发展。通过波分复用（WDM）、时分复用（TDM）等 multiplexing 策略，单个光纤网络可实现多分析物同步检测或分布式传感。结合人工智能数据分析及智能手机等便携设备，这些传感器有望成为下一代即时检测（POCT）和可穿戴医疗设备的核心组件。尽管在材料兼容性、标准化制造等方面仍面临挑战，但随着纳米技术、合成受体设计和智能算法的不断进步，外置光纤传感平台必将在精准医疗、智能环境和工业4.0中发挥越来越重要的作用。