撰稿|由课题组供稿
中国计量大学光学与电子科技学院
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近日，中国计量大学光学与电子科技学院沈常宇教授课题组提出并展示了一种基于倾斜光纤光栅等离激元光纤镉离子痕量传感器，研究成果以“Ultralow limit TFBG-SPR Based Optical Fiber Cadmium Ion Detection”为题发表在Sensors and Actuators B: Chemical上。
镉离子是一种有毒的重金属污染物，对人类健康和环境造成严重危害。它广泛存在于工业废水、农药、肥料和废弃电子产品等来源中，并可通过污染的土壤和水体进入食物链。镉在人体内具有高度的蓄积性，主要富集在肝脏和肾脏中，导致这些器官的功能受损。同时，镉被证实是一种致癌物质，与多种癌症，包括肺癌、前列腺癌和肾癌等的发生密切相关。此外，过量的镉暴露也与骨骼疏松症和骨质疏松症等骨骼疾病的风险增加有关。除了对人类健康的影响，镉离子也对环境造成长期危害。镉的持久性使其在环境中难以降解，导致污染物积累，对土壤和水体生态系统产生毒性影响。这不仅威胁了许多野生动植物的生存，还会影响整个生态平衡。
现有的几种镉离子检测方法，如原子吸收光谱法、荧光探针法、固相萃取法和电感耦合等离子体光发射光谱法，但这些方法存在仪器成本高、耗时分析、测量过程中产生污染物等固有限制，中国计量大学沈常宇研究团队提出了一种基于倾斜光纤光栅表面等离子体共振（TFBG-SPR）的光纤镉离子（Cd2+）传感器。
实验中TFBG的传感区域位于微流体通道中，利用镉离子与谷胱甘肽分子之间的结合和力诱导金纳米粒子在TFBG表面聚集，导致TFBG表面周围的局部SRI变化增强，引起TFBG模式的有效折射率的实部和虚部的变化，实现了TFBG光谱对镉离子浓度变化的响应，从而检测不同浓度的镉离子溶液。
图1是传感器的光谱响应和检测限比较，随着Cd2+浓度的增加，光谱明显向长波长区域移动，通过从光谱响应中提取SPR包络的波长偏移和SPR波长周围的五个包层模式共振，波长偏移的所有正拟合斜率表明TFBG表面周围的局部SRI的实部增加，结果显示了比单个包层模式共振更高的折射率灵敏度。此外，随着Cd2+浓度的增加，TFBG表面周围的AuNPs可以增强对TFBG-SPR区域周围包层模式共振的散射和吸收效应，获得的LOD为0.06nM，超过了当前同类传感器1-2个数量级。
图1 基于TFBG-SPR的Cd2+传感器的光谱响应和检测限比较。(a)TFBG-SPR传感器在各种Cd2+浓度下的光谱演变。(b)SPR区域周围的光谱局部放大图。(c)SPR包络以及五种选定包层模式的波长漂移以及相应的线性拟合。(d)SPR包络以及五种选定包层模式的振幅变化以及相应的线性拟合。(e)模式1和模式4差分后的振幅变化。(f)模式3的波长漂移和SPR包络以及差分振幅计算所得检测限。
该研究实现了镉离子的痕量检测，大大超过了世界卫生组织的饮用水质量标准。此外，该传感器还具有高稳定性、体积小、实时检测和温度自补偿等优点，有望应用于环境监测和生物医学领域。
该工作得到了国家自然科学基金(12274386)、浙江省重点研发项目(2021C01179)和国家重点研发项目(2021YFF0600203)的资助。
论文链接：
Ren Z, Huang Z, Wang F, et al. Tilted fiber Bragg grating surface plasmon resonance based optical fiber cadmium ion trace detection[J]. Sensors and Actuators B: Chemical, 2023, 393: 134247.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2023.134247
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