基于光纤布拉格光栅的传感器在折射率检测水污染物方面的建模与制造技术进展：技术综述

《Optical Fiber Technology》：Modelling and fabrication advances in fiber Bragg grating sensors for refractive index–based detection of water contaminants: a technical review

光纤布拉格光栅（FBG）传感器在水质监测中的应用综述。本文整合折射率基传感的理论模型（耦合模理论、传递矩阵法等）与制造工艺（相位掩模、纳米颗粒修饰），分析灵敏度提升机制及温度-应变等挑战，提出与等离子体共振、AI光谱分析等融合的创新方向，并首次系统对比了重金属离子、硝酸盐及大肠杆菌检测的FBG传感器性能。

　　

Rafiq Tamin|Haryana Mohd Hairi|Saiful Najmee Mohammad

马来西亚沙捞越科技大学基础研究学院，96000沙捞越

摘要

光纤布拉格光栅（FBG）由于其光谱选择性、鲁棒性和与分布式架构的兼容性，在光学传感中变得不可或缺。数值建模和制造技术的最新进展显著扩展了它们在水环境中的应用范围，包括检测微量重金属离子和化学污染物。本文综述了FBG设计背后的理论和数值发展，重点讨论了耦合模理论（CMT）、微扰公式、传递矩阵方法（TMM）和有限元建模（FEM）。研究了相位掩模刻写、包层蚀刻和纳米粒子辅助表面修饰等制造策略对模式限制、有效折射率变化和灵敏度提升的影响。基于布拉格波长位移和衰减场相互作用，分析了铅、汞、硝酸盐、氯化物及其类似物质的光学传感机制，而非化学途径。文章还讨论了关键限制因素，如温度-应变交叉敏感性、涂层稳定性和探测噪声，并探讨了等离子体-FBG混合体、表面增强拉曼平台和机器学习驱动的光谱重建等新兴机会。与将FBG传感、建模或制造视为独立主题的现有综述不同，本文提供了一个综合框架，将基于折射率的建模方法与制造策略及特定污染物的传感性能联系起来。此外，本文还提供了针对重金属、硝酸盐和大肠杆菌（E. coli）的FBG传感器的对比表格，以及最先进的光学传感平台，这是之前未报道过的。

引言

安全可持续地获取清洁水源是公共卫生、工业发展和环境安全的基本要求。然而，全球水资源正日益受到重金属离子和微生物污染物的威胁。有毒离子如铅（Pb²⁺）、汞（Hg²⁺）、铜（Cu²⁺）和镉（Cd²⁺）即使在微量浓度下也会在生物系统中积累，导致神经、肾脏和发育障碍[1]，[2]。饮用这些受重金属污染的水对人体健康的影响是毁灭性的，例如会破坏活细胞[3]。这是因为这些重金属具有高毒性和生物累积性，可导致暴露人群的肾脏损伤和神经发育障碍[4]。根据联合国可持续发展目标（SDGs 6和14），通过减少海洋污染来保障安全用水，以保护水生生态系统[3]。世界卫生组织（WHO）规定Pb²⁺的安全水平为10 μg/L。鉴于过去关于重金属离子对人类健康危害的研究，迫切需要开发基于FBG传感器的可靠分析方法以实现实时监测。同时，微生物污染物，特别是大肠杆菌（E. coli）、大肠菌群和形成生物膜的细菌，仍然是水传播疾病爆发的主要原因，带来全球健康和经济后果[5]。传统的检测方法如原子吸收光谱、ICP-MS和基于培养的微生物检测方法虽然准确度高，但受到处理时间长、依赖实验室和运营成本高的限制[6]。这些挑战促使人们研究能够进行实时、便携且成本效益高的水质监测的先进光学生物传感器。

在新兴技术中，光纤布拉格光栅（FBG）传感器因其固有的多路复用能力、抗电磁干扰性和对折射率变化的高灵敏度而受到广泛关注[7]。布拉格光栅能够将微小的环境扰动转化为可测量的光谱位移，使其特别适合监测低浓度污染物。耦合模理论和微扰分析等分析框架的最新进展提高了对环境影响下布拉格波长位移的理解，而传递矩阵方法（TMM）和有限元方法（FEM）等数值方法则提供了反射光谱和应变-光学效应的准确建模[8]。制造技术的创新，包括相位掩模刻写、包层蚀刻、纳米粒子辅助涂层和聚合物功能化，使得开发出对微生物和重金属污染物具有增强灵敏度和选择性的FBG传感器成为可能[9]，[10]。本文还强调了基于折射率的污染物检测方法，并总结了基于RI的光学传感如何成功应用数值建模和制造技术。

总体而言，最近的综述也展示了基于光纤传感器和FBG技术在科学研究、工业、生物医学、环境和航空航天等许多新兴应用中的有希望的发现[11]。基于FBG的传感技术展示了与传统光纤传感器类似的大量用途[12]。Mortazavi等人[13]回顾了光纤生物传感器的最新进展，系统地分类了强度调制、波长调制、等离子体和光子晶体光纤平台，并强调了纳米材料集成、芯片实验室协同作用和人工智能辅助信号处理。该综述突出了在早期癌症检测、传染病诊断和葡萄糖监测等临床应用中的显著进展，同时指出了与生物相容性、长期稳定性和可扩展制造相关的关键挑战[13]。光纤传感器还能够实时监测生物反应器，确保质量和工艺效率[14]。然而，这篇综述并未专门讨论针对水污染物检测的基于折射率的光纤布拉格光栅（FBG）建模和制造策略。为填补这一空白，本文重点介绍了基于RI的建模框架和制造方法，并将其与FBG在水质监测应用中的传感性能进行了系统关联。

在FBG传感器实现大规模环境监测应用之前，仍存在若干挑战。温度-应变交叉敏感性、长期稳定性和重复性问题继续限制其在现场条件下的可靠性[2]。尽管Pb²⁺、Hg²⁺和大肠杆菌（E. coli）检测的概念验证演示很有前景，但实际应用往往面临污染、基质干扰和水化学变化等问题[5]。解决这些挑战需要光学、纳米材料和环境工程的跨学科整合。未来的发展方向包括将FBG与表面等离子体共振（SPR）或表面增强拉曼散射（SERS）结合的混合传感器平台，以及利用人工智能（AI）驱动的多路复用检测[7]。结合物联网（IoT）支持的监测网络，这些进步有可能将FBG传感器从实验室原型转变为可靠的便携式水质保障平台。鉴于水传播疾病和重金属污染的全球普遍性，能够实现连续、原位监测的传感器对于保护公共健康和达到国际水质标准至关重要。基于FBG的平台在这方面具有明显优势：它们可以通过单根光纤实现多路复用，抗电磁干扰，并能检测由微量杂质引起的微妙折射率变化。FBG传感器通过将基于RI的建模与特定制造过程相结合，可以在实验室分析和实时现场水质监测之间架起桥梁。

本文重点介绍了基于FBG的污染传感器的理论、数值和制造基础，批判性地评估了它们在检测微生物和重金属污染物方面的应用，并讨论了实现稳健现场部署的当前挑战和前景。

FBG工作原理和布拉格条件

光纤布拉格光栅（FBG）是一种对光敏感的单模光纤，其核心长度上刻有周期性折射率调制，通过曝光于紫外线光，它成为特定波长的选择性反射镜[15]，[16]。FBG也作为一种波长选择性的滤波器，通过在光纤核心引入周期性折射率结构来实现[1]。由于其过滤能力，可以阻挡某些波长。

现状与挑战

基于FBG的传感器的最新进展显示出在各种传感环境中的巨大潜力。然而，FBG也存在一些需要提及的局限性。其中一个主要限制是它们的机械强度相对较低，需要正确安装和维护，以防止弯曲、扭结和压碎。初始设置也需要高精度，以确保制造技术的可靠性。

与纳米材料和等离子体的集成

将纳米材料与光纤布拉格光栅（FBG）传感器集成为提高水污染监测的灵敏度和选择性开辟了新途径。金属纳米颗粒、石墨烯衍生物和量子点可以显著增强FBG表面的衰减场相互作用，从而降低重金属和微生物污染物的检测限。例如金和银纳米颗粒等等离子体纳米结构在这方面特别有效

可用水样来源

可供人类消费和农业使用的饮用水来自不同的自然来源，包括地下水和地表水。这些水源可能含有危险污染物，如细菌、硝酸盐以及Pb²⁺和Cu²⁺等重金属离子，因为它们会受到环境污染[74]。除了对健康构成重大威胁外，这些污染物还可能影响作物产量。在本文中，我们重点关注化学污染物、重金属离子和微生物

结论

光纤布拉格光栅（FBG）传感器的理论基础和制造策略使其成为环境监测的强大工具，尤其是在水质评估方面。耦合模理论和微扰框架等分析模型，以及传递矩阵方法（TMM）和有限元方法（FEM）等数值方法，在预测传感器行为、优化光栅设计和模拟光谱方面发挥了重要作用

CRediT作者贡献声明

Rafiq Tamin：撰写——初稿，资金获取。Haryana Mohd Hairi：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思。Saiful Najmee Mohammad：概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：Rafiq Tamin表示获得了沙捞越科技大学的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢沙捞越科技大学通过内部研究基金（UTS/RESEARCH/2/2022/07）提供的财务支持。