基于PDMS/Mxene涂层探针的光纤传感器：光热效应驱动的水体抗生素高灵敏检测

为解决水体抗生素残留威胁生态和健康的问题，研究人员开发了一种基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)/Mxene复合涂层的光纤传感器。该传感器通过光热效应实现抗生素浓度检测，具有高灵敏度（检测限达0.1 μg/L）、快速响应（分钟级）和可重复使用特性，为环境监测和公共卫生提供了创新技术方案。

　　

抗生素自1928年发现以来，已成为医疗和农业的核心工具，但其过度使用导致的水体残留问题日益严峻。世界卫生组织2024年发布的指南指出，长期低浓度抗生素会破坏微生物群落平衡，甚至通过食物链威胁人类健康。传统检测方法如荧光免疫分析、拉曼光谱等依赖复杂试剂和高成本设备，难以满足现场快速检测需求。在此背景下，黑龙江某研究团队创新性地将材料科学与光纤传感技术结合，开发出基于PDMS/Mxene涂层的探针式传感器，相关成果发表于《Optics》。

研究团队采用三项关键技术：1）通过抛光处理构建气球形光纤结构，增强 whispering gallery mode（WGM）与纤芯基模的干涉效应；2）利用Mxene材料超大比表面积特性（>200 m²
/g）提升抗生素分子吸附能力；3）结合PDMS的高热光系数（1.8×10^?4
RIU/℃）实现温度-折射率转换。实验使用365 nm紫外激光激发光热效应，通过光谱仪监测共振波长偏移。

【传感器结构及实验原理】
研究团队设计的抛光气球形光纤传感器（图2a）通过弯曲段引发纤芯-包层模干涉。当抗生素分子在Mxene表面吸附后，365 nm激光激发产生的热能使PDMS涂层折射率变化，导致传输光谱特征位移。理论模拟显示，抛光处理使灵敏度提升400%（对比未抛光传感器）。

【材料表征】
X射线衍射证实Mxene的(002)晶面间距为1.3 nm，比表面积达210 m²
/g。PDMS的Si-O键能（452 kJ/mol）赋予其优异的热稳定性。二者复合后接触角测试显示亲水性改善（水接触角从112°降至65°），有利于分子吸附。

【传感特性】
对青霉素、红霉素、头孢类抗生素的检测显示线性响应范围0.1-100 μg/L，检测限低至0.05 μg/L（信噪比3:1）。温度实验证实PDMS折射率变化率达4.3×10^?4
RIU/℃，响应时间<3分钟。重复性测试表明，经过80℃水浴脱附后传感器性能保持率>95%。

该研究突破性地解决了传统检测技术复杂耗时的瓶颈，通过光热-光纤协同机制实现了抗生素的实时原位监测。特别是Mxene/PDMS复合涂层的设计，将吸附效率提升2.8倍的同时保持了优异的重现性。这项技术不仅适用于环境水体监测，还可拓展至食品、医疗等领域，为全球抗生素污染治理提供了中国方案。研究团队特别指出，该传感器在黑龙江流域实际水样检测中表现出与HPLC（高效液相色谱）方法高度一致的结果（相关系数R²
=0.992），验证了其工程化应用的可靠性。