新型超分子锌卟啉薄膜涂层光纤马赫-曾德尔干涉仪用于痕量氨气检测

针对工业环境中痕量NH3检测的灵敏度和便携性难题，重庆科研团队开发了一种基于SMF-NCF-SMF-TCF-SMF不对称结构的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）光纤传感器。通过逐层自组装技术沉积SA-ZnTCPP/Zn(OAc)2纳米多孔薄膜，实现了7.12 dB/ppm的高灵敏度和2 ppm超低检测限，为化工安全监测提供了创新解决方案。

　　

氨气（NH₃）作为重要的工业原料，在化肥、塑料生产中广泛应用，但其高毒性和腐蚀性对工业安全构成严重威胁。传统检测方法如气相色谱-质谱（GC-MS）存在设备笨重、操作复杂等问题，而现有光纤传感器又面临选择性不足的挑战。针对这一技术瓶颈，重庆科研团队创新性地将超分子化学与光纤传感技术结合，开发出具有突破性性能的痕量氨气传感器。

研究采用光束传播法（BPM）模拟了SMF-NCF-SMF-TCF-SMF不对称干涉结构，通过熔接单模光纤（SMF）、无芯光纤（NCF）和薄芯光纤（TCF）构建马赫-曾德尔干涉仪（MZI）。利用四(4-羧基苯基)锌卟啉（SA-ZnTCPP）的π-共轭骨架和锌离子配位特性，通过层层自组装（LbL）技术制备了厚度可控的纳米多孔敏感薄膜。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）证实了Zn-O配位键的形成，紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）显示金属卟啉特征吸收峰红移至422 nm和556 nm。

设计原理与结构表征
数值模拟显示该结构在1.3320-1.3636折射率范围内呈线性响应，理论灵敏度达620.1856 dB/RIU。扫描电镜（SEM）观察到薄膜呈现均匀的纳米级孔隙结构，比表面积显著增加。

气敏性能测试
在0-600 ppb浓度范围内，传感器表现出7.12 dB/ppm的灵敏度和40 s/50 s的响应-恢复时间。ZnTCPP中锌离子与NH₃的配位作用引起薄膜折射率变化，通过监测干涉峰强度位移实现检测。对比实验证实该设计灵敏度比纯TCPP薄膜提升104.3%。

结论与展望
该研究首次将不对称光纤干涉结构与超分子锌卟啉薄膜结合，创造了当时报道中最低的NH₃检测限（2 ppm）。其抗电磁干扰、耐腐蚀等特性特别适合化工现场监测，为发展智能工业传感器提供了新思路。论文发表于《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》，工作获得国家自然科学基金（51904053）和重庆市科技局（cstc2021jcyj-msxmX0539）资助。