追踪“无声杀手”：用于检测一氧化碳的光纤表面等离子体共振（SPR）传感器中带栅格与不带栅格的钯功能化材料的比较

《Optical Fiber Technology》：Tracking a silent killer: Comparison of grating and non-grating palladium-functionalized optical fiber SPR sensor for carbon monoxide detection

基于Pd的光纤表面等离子体共振传感器在CO检测中的应用研究，通过FEM和DFT方法优化光栅结构及吸附行为，灵敏度提升12.7%，验证了Pd在复杂环境中的高效检测能力。

　　碳一氧化物（CO）是一种在全球范围内导致中毒死亡的重要污染物。由于其无色、无味、无毒性和不可察觉的特性，CO的暴露往往难以察觉，从而对人类健康构成严重威胁。从神经学和心血管症状到意识丧失甚至死亡，CO暴露在不同浓度下可能引发一系列严重的健康问题。因此，开发一种能够实现高灵敏度和高选择性的检测方法，对于保护公共健康和环境安全具有重要意义。

本文提出了一种基于钯（Pd）的光纤光子表面等离子体共振（SPR）传感器，用于检测CO气体。该传感器利用了Pd对CO分子的高吸附能力，从而在信号转换过程中实现灵敏和选择性的检测。SPR技术因其对折射率变化的高灵敏度，已被广泛应用于生物分子和气体检测领域。然而，传统SPR传感器在检测气体分子时往往面临非特异性吸附的问题，这会影响其检测性能和选择性。因此，寻找一种能够提高传感器特异性吸附能力的生物识别层，是当前研究的重要方向。

在本研究中，Pd被选为生物识别层，因其对CO分子具有较强的亲和力，能够实现更精确和更集中的相互作用，从而显著提升传感器的灵敏度。与传统的金（Au）基SPR传感器相比，银（Ag）虽然能够提供更尖锐和更强烈的共振峰，从而提高检测精度，但在空气或液体环境中容易发生降解。为了解决这一问题，本文在银表面引入了一层保护性和响应性的Pd层，以提高传感器的稳定性和使用寿命。

为了评估Pd作为生物识别层对传感器性能的影响，本文对比了具有Pd光栅结构和非光栅结构的两种传感器配置。结果表明，引入Pd光栅结构可以显著提高传感器的灵敏度，使其从非光栅配置下的6300 nm/RIU提升至具有100 nm残余包层、30 nm空气间隙宽度和20个光栅的配置下的7100 nm/RIU。这一结果表明，Pd光栅结构在提高传感器灵敏度方面具有明显优势，为开发高灵敏度的SPR传感器提供了新的思路。

除了实验分析，本文还采用密度泛函理论（DFT）对CO在Pd表面的吸附行为进行了第一性原理研究。通过模拟两种不同的表面几何结构，即（1×1）和（2×1），研究发现（2×1）结构表现出更理想的吸附特性。这一发现不仅有助于理解CO在Pd表面的吸附机制，也为优化传感器设计提供了理论依据。DFT模拟的结果显示，桥位是CO分子最稳定的吸附位置，这可能与Pd表面的电子结构和化学性质有关。

在传感器性能评估方面，本文采用了有限元方法（FEM）对传感器的响应特性进行了详细分析。通过使用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟，研究了不同结构参数对传感器性能的影响。其中，传感器的共振位移和模态损耗是评估其性能的关键指标。研究发现，Pd光栅结构能够有效增强传感器的响应特性，从而提高其检测能力。

此外，本文还讨论了传感器在实际应用中的潜在优势。由于其高灵敏度和选择性，该传感器有望在环境监测、工业安全、医疗诊断等领域发挥重要作用。特别是在复杂生物环境中，Pd作为生物识别层能够提供更可靠和有效的检测平台，从而减少非特异性吸附对检测结果的干扰。

本文的研究成果不仅为CO检测提供了新的技术手段，也为其他气体检测传感器的设计和优化提供了参考。通过结合FEM和DFT方法，研究团队能够全面评估传感器的性能，并为未来的传感器开发奠定基础。同时，本文也强调了在实际应用中，如何通过优化材料选择和结构设计，提高传感器的稳定性和可靠性，从而满足不同场景下的检测需求。

综上所述，本文提出了一种基于Pd的光纤光子SPR传感器，利用其对CO分子的高吸附能力，提高了传感器的灵敏度和选择性。通过FEM和DFT方法的结合，研究团队不仅验证了传感器的性能，还深入探讨了CO在Pd表面的吸附行为，为未来的研究和应用提供了重要的理论支持和技术指导。该传感器的开发有望在多个领域内实现广泛应用，为公共健康和环境安全提供更有效的解决方案。