一种基于碲酸盐玻璃探头的紧凑型荧光光纤传感器，用于实时监测人体表面温度

《Sensors and Actuators A: Physical》：A compact fluorescent fiber-optic sensor based on tellurite glass probe for real-time monitoring of body surface temperature

提出了一种基于铒/镱共掺杂硫系玻璃探头的紧凑型荧光光纤温度传感器，通过环氧树脂复合和双芯光纤连接技术实现高灵敏度（64.8×10^-4 K^-1）和快速响应（14.5秒），成功应用于口腔温度监测，解决了传统传感器尺寸大、易受电磁干扰等问题。

　　

尹志远|曲宇涵|吴宇鹏|王倩金|周雪|严欣|赵勇|刘伟|程同磊

过程工业综合自动化国家重点实验室，信息科学与工程学院，工业智能与系统优化国家前沿科学中心，东北大学，沈阳110819，中国

摘要

本文提出了一种基于碲酸盐玻璃探头的紧凑型荧光光纤传感器，用于实时监测体表温度。该传感器通过将丙烯酸改性的环氧树脂与掺杂Er³⁺/Yb³⁺的碲酸盐玻璃粉末熔合，并通过浸涂技术将其与两根多模光纤（MMF）连接而成。利用荧光强度比（FIR）技术解调实时温度信息，并在263–353 K的温度范围内评估了传感器的性能。其最大绝对灵敏度和相对灵敏度分别为353 K时的64.8 × 10^?4 K^?1和263 K时的13.58 × 10^?3 K^?1。除了高灵敏度外，该传感器还表现出良好的准确性、稳定性、重复性和再现性。此外，它还被实际应用于口腔温度监测，响应时间为14.5秒。最后，由于传感器长度有限（约1.5毫米），因此可以通过微创手术或其他干预措施实现体内温度监测。

引言

随着现代医疗技术的快速发展，实时监测体表温度变得至关重要。特别是在重症监护医学领域，体表温度的微小波动通常表明多种生理和病理状况，如感染[1]、[2]、炎症[3]、药物反应[4]和代谢紊乱[5]。通过实时跟踪温度变化，可以制定更合适的治疗策略。然而，在温度监测中，高精度和实时性能往往相互冲突。因此，实现实时监测体表温度同时保证高精度已成为一个紧迫的技术挑战。

尽管电子温度传感器已被用于体表温度监测数十年，但它们容易受到电磁干扰（EMI）的影响，难以微型化，并且存在电气安全风险。近年来，光纤温度传感器作为一种有前景的替代方案脱颖而出，表现出高灵敏度、快速响应、紧凑结构、良好的生物相容性和较强的抗EMI能力[6]、[7]、[8]、[9]。许多研究证实了它们能够在不损害人类健康的情况下实现长时间连续实时温度监测。例如，Wang等人创新地将光纤布拉格光栅（FBG）传感器、光纤和服装结合在一起，开发出一种内衣，即使在MR或超声等电磁环境中也能准确监测患者的体温变化[10]。Liu等人提出了一种基于法布里-珀罗（F-P）腔的光纤温度传感探头，能够在手腕和腋下监测体温，灵敏度约为287.3 pm/℃[11]。Li等人设计了一种高度集成的生物医学传感器，利用F-P腔和FBG传感技术，不仅实现了温度的自补偿，还实现了压力的同时监测[12]。然而，获得的物理参数是温度、压力和应变复杂叠加的结果，导致解调过程非常繁琐，难以处理信号之间的相互干扰。

荧光强度比（FIR）技术通过解调稀土离子荧光强度与温度之间的功能关系来获得目标温度，已成为一种高精度的重要传感策略[13]、[14]。基于该技术设计的光纤温度传感器具有很强的抗交叉敏感性、快速响应和高灵敏度[15]、[16]。通常使用Er³⁺离子作为激活剂，因为它们具有丰富的能级结构，而使用Yb³⁺离子作为敏化剂以提高Er³⁺离子的上转换（UC）荧光效率。同时，基质材料必须为Er³⁺离子提供合适的晶体场和晶格，以产生UC荧光。尽管主流基质材料是氧氟化物[17]、硅酸盐[18]和磷酸盐玻璃[19]，但由于碲酸盐玻璃具有高稀土掺杂浓度、稀疏的晶格结构、良好的热稳定性和低声子能量[20]、[21]，它越来越被视为理想的候选材料。

目前，掺杂Er³⁺的碲酸盐玻璃已广泛用于温度传感器的制造，但由于其热膨胀系数较低，与石英光纤的集成仍然具有挑战性。科学家们注意到，碲酸盐玻璃粉末可以在保持非晶态玻璃特性的同时产生与块状玻璃相当的UC荧光[22]。此外，由于其较低的比热容和较高的热导率，碲酸盐玻璃粉末比传统荧光粉具有更好的热响应能力，这对于温度传感应用特别有利[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。通过使用粘合剂将玻璃粉末固定在其他光学结构上，可以方便地实现融合和UC荧光的收集。Guo等人创新地将镧系基UC纳米颗粒（LnUCNPs）嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）光纤中[28]。然而，PDMS容易受到应力引起的变形，这会影响光谱特性。丙烯酸改性的环氧树脂提供了一种改进的解决方案，其固化后收缩率极低，并且与石英光纤的热膨胀系数兼容。遗憾的是，几乎没有关于将其用作荧光玻璃粉末载体以实现基于FIR的温度传感的研究。

在本文中，通过将丙烯酸改性的环氧树脂与掺杂Er³⁺/Yb³⁺的碲酸盐玻璃粉末熔合，并通过浸涂技术将其与两根多模光纤（MMF）连接，构建了一种温度传感探头。一根MMF用于将入射光引导到探头中，另一根用于捕获产生的荧光信号。实验评估表明，该探头对温度变化的FIR特性表现出高灵敏度、出色的稳定性、良好的准确性和强的再现性。在实际应用于人类志愿者的口腔温度监测时也观察到了令人满意的性能。与之前的荧光温度传感器[29]相比，这种探头的长度减少了94%（1.5毫米对比2.5厘米），实现了微创监测。该传感器设计紧凑且易于制造，在体表温度监测应用中具有巨大潜力。

部分摘录

传感原理和结构设计

如图1所示，掺杂Er³⁺的碲酸盐玻璃粉末的UC荧光发射机制源于以下光物理过程：在980 nm激发下，Er³⁺离子从基态能级⁴I_15/2通过双光子吸收跃迁到高激发态⁴F_{7/2，随后通过非辐射弛豫填充两个热耦合能级（TCELs）²H11/2和⁴S3/2。随后，这些离子分别从TCELs跃迁回基态⁴I15/2}

实验结果和讨论

实验装置如图3所示。来自980 nm激光器（Thorlabs, OS8147–400）的泵浦光通过一根MMF引导到传感探头，以激发UC荧光。随后，产生的信号通过另一根MMF传输到Ocean Optics光谱仪（USB 2000+，Ocean Insight），并详细记录在计算机中。

如图4(a)所示，在980 nm激光泵浦下，观察到绿色UC荧光发射

口腔温度监测

当患者发烧或进行康复训练时，口腔温度监测具有显著优势。口腔位置靠近舌下动脉，其温度更接近身体的核心温度（直肠温度）。此外，口腔黏膜丰富的血液供应使其能够快速响应由运动代谢引起的体温变化。因此，口腔温度监测可以提供

结论

总之，我们成功制造了一种紧凑型光学探头（长度约为1.5毫米），用于实时体表温度监测。传感单元由丙烯酸改性的环氧树脂与掺杂Er³⁺/Yb³⁺的碲酸盐玻璃粉末熔合而成。通过使用FIR技术，从温度依赖的UC荧光光谱中解调出热信息。该传感器在263 K至353 K的温度范围内表现出优异的传感性能

CRediT作者贡献声明

刘伟：指导。 程同磊：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。 王倩金：指导。 周雪：指导。 严欣：指导。 赵勇：指导。 尹志远：撰写 – 审稿与编辑，原始稿撰写。 曲宇涵：指导。 吴宇鹏：指导。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62203090）、中国科学技术协会青年精英科学家资助计划（项目编号：2023QNRC001）、中央高校基本科研业务费（项目编号：2024GFZD07和N2404022）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2023A1515140098和2022A1515220086）、河北省自然科学基金（项目编号：F2024501044）以及111项目（项目编号：B16009）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

尹志远于2021年在中国长春科技大学获得电子信息科学与技术学士学位，2024年在东北大学获得电子科学与技术硕士学位。他目前正在东北大学信息科学与工程学院攻读博士学位。他的主要研究方向是设计