《Optical Fiber Technology》：High-sensitivity fiber optic pH sensor combining offset splicing and tapered microstructure functionalized with calcium alginate hydrogel
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王书涵|顾少杰|王新宇|张刚|徐凌光|葛强|王琴|吴旭强安徽工程大学集成电路学院，中国芜湖市北京路M号，241000摘要传统的玻璃电极pH传感器在微型化、抗电磁干扰以及远程监测能力方面存在局限，这促使人们为在恶劣环境中的关键应用开发光纤替代方案。在本研究中，我们提出了一种高灵敏度
王书涵|顾少杰|王新宇|张刚|徐凌光|葛强|王琴|吴旭强
安徽工程大学集成电路学院，中国芜湖市北京路M号，241000
摘要
传统的玻璃电极pH传感器在微型化、抗电磁干扰以及远程监测能力方面存在局限，这促使人们为在恶劣环境中的关键应用开发光纤替代方案。在本研究中，我们提出了一种高灵敏度的光纤pH传感器，该传感器结合了偏移熔接技术以及经海藻酸钙水凝胶功能化的锥形微结构。该传感器是通过将一根细光纤与两根单模光纤进行熔接制成的，通过控制横向错位和锥形设计来选择性地激发高阶模式。锥形细光纤表面涂覆有海藻酸钙水凝胶，这是一种对pH值敏感的生物聚合物基质，其溶胀和收缩行为会随着环境pH值的变化而引发可逆的折射率变化。实验结果表明，在未涂覆水凝胶之前，该传感器的折射率灵敏度为?7107.302纳米/RIU，对应pH值范围为1.37954–1.44662。经过功能化处理后，该传感器在测试的酸性范围（pH 3.0–5.0）内具有16.009纳米/pH的高pH灵敏度，且线性度优异（R2 = 0.96）。此外，与传统的光学pH传感器相比，该传感器具有更高的pH灵敏度、在测试范围内的良好稳定性、紧凑坚固的结构设计以及较低的制造成本。综上所述，它有望成为在酸性条件下检测pH值的理想选择。
引言
光纤pH传感器是一类重要的光学传感器，可用于精确可靠地测定溶液的pH值、酸度或碱度，已被广泛应用于多个跨学科领域，包括生物医学研究[1]、[2]、医学领域[3]、[4]以及化学领域[5]、[6]。这些应用凸显了光纤pH传感器在复杂或受限条件下满足苛刻测量需求方面的不可或缺作用。相比之下，传统的电化学pH检测方法存在诸多固有缺陷，如响应速度慢、灵敏度不足、易受电极污染影响，以及容易受到电磁干扰，这限制了它们在动态或电气噪声较大的环境中的使用。正因如此，光纤pH传感器因其自身优势而成为一种理想的替代方案：其结构为全光纤设计，体积小且坚固；具有出色的化学稳定性；能够实现实时监测和远程监控；并且完全不受电磁干扰的影响[7]、[8]、[9]。此外，先进的设计还使得这类传感器具有高分析灵敏度、亚秒级响应时间、宽范围的线性检测能力（通常覆盖pH 2–12），并且结构灵活，可根据具体应用需求进行定制。
目前，高性能光学pH传感器的研发主要集中在使用对pH值敏感的水凝胶材料作为功能涂层。常用的涂层材料包括聚苯胺[Pani][10]、[11]、[12]、聚丙烯酸[PAA][13]、[14]、[15]、壳聚糖[CS][16]、[17]、[18]，以及氧化石墨烯/聚乙烯醇[GO/PVA]复合材料[19]、[20]、[21]。这些材料通常通过浸涂或自组装等方法沉积在光纤表面或尖端上。相应的传感结构主要基于三种光学机制：表面等离子体共振[SPR][22]、[23]、[24]、光纤光栅[FBG/LPFG][25]、[26]，以及各种光纤干涉仪[27]、[28]。例如，黄勇等人[29]开发了一种基于倾斜光纤布拉格光栅的SPR传感器，通过在光栅表面沉积金层和聚苯胺感测层，使其在pH 2–12范围内的灵敏度达到0.50335纳米/pH。在干涉仪传感器方面，龙刚等人[30]设计了一种无芯单模干涉仪，表面涂覆聚苯胺/聚丙烯酸层，其在pH 2–12范围内的灵敏度可达0.985纳米/pH。颜睿等人[31]则开发了一种基于FBG与单模锥形双芯光子晶体光纤-单模结构的光纤pH传感器，通过用GO/PVA水凝胶修饰该传感器，使其在pH 4.00–9.85范围内的灵敏度达到0.69纳米/pH，且滞后现象很小（<0.007），响应速度很快（<10秒）。米什拉等人[32]开发了一种带有长周期光纤光栅的pH传感器，表面涂覆智能水凝胶，其在pH 2–12范围内的灵敏度为?0.66纳米/pH。在生物医学应用方面，李晓等人[33]将光纤布拉格光栅与锥形单模-多模-单模结构相结合，表面涂覆聚丙烯酸/壳聚糖膜，用于检测血液的pH值，其灵敏度为0.12纳米/pH。另外，程晓等人[34]提出了一种在光纤表面涂覆聚乙二醇二丙烯酸酯聚合物的pH传感器，其pH灵敏度为?0.41纳米/pH。上述研究表明，对pH值敏感的材料不仅可以提高传感器的灵敏度，还能保护光纤并提升其耐用性。最近，还有研究报道了结构简单、易于大规模制造的锥形光纤传感器[35]、[36]。与这些设计相比，我们所设计的偏移熔接锥形传感器尽管制造工艺更为复杂，但具有更高的pH灵敏度。这一优势得益于偏移熔接带来的协同效应——它打破了对称性，能够有效激发高阶包层模式，而深度锥形设计则增强了衰减场与光-水凝胶之间的相互作用强度。
本研究介绍了一种采用熔接锥形技术制作，并涂覆海藻酸钙水凝胶的功能光纤pH传感器。该传感器的制作方法是先将一根细光纤与两根单模光纤进行带有可控横向偏移的熔接，然后再对细光纤区域进行局部锥形处理。通过精确调控该锥形区域的腰径，可以显著提升传感器对外部折射率变化的敏感度。实验结果显示，该传感器在折射率范围为1.37954–1.44662时，其折射率灵敏度最高可达?7107.302纳米/RIU。基于这一较高的折射率灵敏度，我们选用具有pH敏感特性的海藻酸钙水凝胶作为功能涂层。这种水凝胶在酸性环境中能够保持结构完整，但在碱性环境下会溶解；而且其折射率会随着环境pH值的变化而发生显著变化，从而可实现高灵敏度的pH值检测。利用这些特性，我们在酸性条件下进行了pH检测实验。实验结果表明，在测试的酸性范围（pH 3.12–4.42）内，该传感器具有线性响应，灵敏度为16.009纳米/pH（R2 = 0.96）。由于其结构简单、制造成本低且测量灵敏度高，该传感器非常适合用于酸性条件下的pH检测。
章节节选
原理
图1展示了该传感器单元的示意图。该传感单元采用了马赫-曾德尔干涉仪结构，由两段单模光纤与一段锥形细光纤以微小错位的方式熔接而成。锥形细光纤的初始包层直径为60.81微米。来自输入单模光纤的光在错位熔接点处会发生模式场不匹配，从而激发多种高阶包层模式，这些模式会通过锥形细光纤传播，然后在输出端重新结合，形成干涉光谱。
传感器制备
首先，需要制备单模光纤-锥形细光纤-单模光纤传感结构。如图6(a)所示，选取了两段单模光纤（包层直径为125微米，芯径为8.3微米）。去除这些光纤的聚合物涂层后，使用精密光纤切割器将其切割成端面平整、垂直且长度均为6毫米的段。同样地，也选取了一段锥形细光纤（包层直径为60.8微米，芯径为6.19微米），去除其包层后再将其切割成6毫米长。随后，
折射率测试
为了评估所制备传感器的性能，我们在不同的折射率条件下测量了它们的传输光谱。从传感器获取的原始传输光谱数据通过基于快速傅里叶变换的滤波处理，以提高信号质量。我们准备了浓度分别为30%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%和80%的甘油水溶液，这些溶液对应的整体折射率分别为1.37954、1.39229、1.39969、1.40616、1.41493、1.42150、1.42734，
结论
总之，这款采用锥形光纤结构并涂覆海藻酸钙水凝胶的光纤pH传感器，在测试的酸性范围（pH 3.12–4.42）内具备pH响应能力。周围水介质的pH值变化会导致包裹在传感区域的水凝胶层发生可逆的溶胀/收缩现象，进而使其有效折射率发生可测量的变化。实验结果显示，该传感器的折射率灵敏度为?7107.302纳米/RIU，
作者贡献说明
王书涵：撰写初稿。顾少杰：实验研究。王新宇：实验研究。张刚：撰写并修改稿件。徐凌光：方法设计。葛强：方法设计。王琴：实验研究。吴旭强：指导工作。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42505140）、光电信息获取与保护技术国家重点实验室开放基金、安徽大学（项目编号：OEIAPT202508、OEIAPT202512）、国家大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202510363102、202510363141），以及安徽工程大学2025年度研究生教育创新基金项目（项目编号：JYCXJJ2025005）的支持。
