基于气球形光纤干涉结构的重金属离子传感

《IEEE Photonics Technology Letters》：Heavy Metal Ion Sensing Based on a Balloon-Shaped Optical Fiber Interferometric Structure

　　摘要：汞离子（Hg2?）是最具毒性的重金属物种之一，对生态系统和人体健康构成严重威胁，因此在水环境中对其进行检测具有重要意义。本文提出了一种由逐层组装的壳聚糖/聚丙烯酸（CS/PAA）多层膜功能化的气球形光纤模间干涉仪，用于Hg2?检测。据我们所知，这是首次将CS/PAA多层膜与气球形光纤干涉仪相结合用于Hg2?传感。气球形弯曲结构增强了纤芯-包层模式耦合以及倏逝场与敏感膜之间的相互作用，而CS/PAA中的氨基和羧基则为Hg2?提供了结合位点。经优化后，涂覆传感器的折射率灵敏度达到690.46 nm/RIU，而裸传感器的灵敏度仅为298.50 nm/RIU。Hg2?的吸附会改变膜的折射率，并转化为可测量的干涉陷波波长偏移。在Hg2?检测方面，传感器在100-800 μM范围内呈线性响应，波长灵敏度为0.02723 nm/μM，温度交叉灵敏度较低，仅为0.013 nm/°C。此外，该传感器对Hg2?的响应明显强于对Cu2?、K?、Na?、Ag?和Fe3?的响应，并且可以再生以实现重复测量。选择性离子识别、干涉波长探测与可逆再生的结合，为水环境中Hg2?的监测提供了一种简单且可重复使用的光纤平台。I. 引言水环境中的重金属污染已成为环境监测和水安全评估中的一大挑战[1]、[2]。在众多重金属离子中，汞离子因其高毒性、环境持久性以及强生物累积潜力而尤为引人关注。即使浓度相对较低，Hg2?也可能通过食物链富集，并对神经系统、肾脏和免疫系统造成严重损害[3]、[4]。