一种经过Y2O3和AuNPs改性的表面等离子体共振光纤传感器，用于提升灵敏度

《Optical Fiber Technology》：An enhanced surface plasmon resonance fiber sensor modified with Y2O3 and AuNPs for sensitivity optimization

　　

李佩琳|张彦达|郑欣|王佳宇|刘恒轩

东北大学信息科学与工程学院，中国沈阳110819

摘要

为了解决表面等离子体共振（SPR）传感器灵敏度不足的问题，本文首次提出了一种采用氧化钇（Y₂O₃）纳米粉末和金纳米颗粒（AuNPs）作为共敏化材料的U形SPR光纤传感器。AuNPs的局域表面等离子体共振（LSPR）效应以及Y₂O₃的独特性质（包括高折射率、适合光学涂层和独特的光学行为）协同增强了表面电场和传感性能。采用有限元方法对传感器结构进行了模拟，并优化了AuNPs和Y₂O₃层的厚度。实验中，通过浸涂技术将Y₂O₃纳米粉末和AuNPs沉积在经过50纳米Au膜改性的光纤芯表面。实验结果表明，在最佳范围内，随着Y₂O₃和AuNPs厚度的增加，传感器的灵敏度也随之提高。当浸没时间达到10分钟时，在1.33673–1.37386的折射率（RI）区间内，传感器的灵敏度达到了9920.9 nm/RIU，是U形Au膜光纤传感器灵敏度的3.29倍，优值（FOM）为33.85，检测限（LOD）为6.7 × 10^-5。重复性测试和温度影响测试显示，该传感器具有出色的稳定性和耐温性，相对标准偏差（RSD）低于1.2%。具有良好生物相容性的AuNPs以及不对生物组织造成损伤的Y₂O₃共同促进了其生物相容性。因此，所提出的U形Au/Y₂O₃/AuNPs光纤传感器在灵敏度和稳定性方面都有显著提升，具有广泛的应用前景。

引言

SPR源于金属和电介质界面自由电子的集体振动，这种振动是由入射电磁波引起的——这一现象最初是通过衰减全反射光谱学揭示的[1]。1993年，Jorgenson等人率先开发了基于光纤的SPR传感器，证明了其在折射率传感方面的可行性[2]。此后，光纤SPR传感器成为了一个重要的研究领域，因为它们能够实现无标记、实时的生物分子检测[3]。这些传感器已被应用于识别微RNA、免疫球蛋白和IgG等关键生物标志物，从而推动了早期疾病诊断和精准医疗的发展[4]、[5]。然而，在检测低丰度分析物方面仍存在挑战，因为传统的SPR光纤传感器对微量生物分子的定量通常灵敏度有限[5]。为了解决这一问题，研究人员专注于结构创新，如D形[6]、U形[7]、[8]和锥形[9]光纤配置，以增强与分析物的衰减场相互作用，并通过材料工程策略优化表面等离子体耦合。材料敏化是一种变革性的方法，纳米材料显著提升了传感器性能[10]。石墨烯是一种单原子厚度的二维（2D）材料，具有优异的电导率和生物相容性，已被用于改进SPR传感器：Meshginqalam等人报告称，通过集成石墨烯纳米片，灵敏度提高了200%，优值达到了5.2 RIU^?1[11]。Qian等人进一步将碳纳米管与金纳米棒结合，通过协同等离子体效应实现了5056 nm/RIU的记录灵敏度[12]。2021年，Wang等人将2D半导体Bi₂O₂Se引入U形SPR光纤传感器，由于其强大的光-物质耦合和提升的载流子迁移率，实现了6827 nm/RIU的突破性灵敏度[13]。

近年来，稀土材料的研究受到了广泛关注，并显示出快速发展的趋势。我们注意到Y₂O₃的优异性质主要包括：高折射率；优异的化学稳定性和耐腐蚀性；在可见光和近红外波段良好的光学稳定性以及低光学损耗；并且通过功能基团修饰可以在其表面稳定固定生物分子，这满足了生物传感的需求[14]。在这里，我们报道了一种新型SPR传感器，该传感器在Au膜上加入了Y₂O₃纳米粉末和AuNPs作为共敏化层。这种涂层利用了Y₂O₃丰富的表面官能团来增强生物分子结合，并利用AuNPs的LSPR效应来调节局部电磁场。实验结果表明，Y₂O₃和AuNP层将U形Au/Y₂O₃/AuNPs光纤传感器（以下简称Au/Y₂O₃/AuNPs传感器）的灵敏度提高了229%，达到9920.9 nm/RIU——比U形Au膜光纤传感器（以下简称Au膜传感器）提高了229%。这种性能提升归因于Y₂O₃创建高密度反应界面的能力与AuNPs的等离子体增强效应的协同作用，突显了Y₂O₃-AuNP复合材料在下一代光纤传感技术中的潜力。

章节片段

传感器的组成

图1展示了采用Y₂O₃和AuNPs作为共敏化材料的SPR光纤传感器模型，该传感器使用U形多模光纤（MMF）作为传感元件，并在Au膜上涂覆了AuNPs和Y₂O₃的复合涂层。基础的光纤结构是通过去除需要弯曲区域的包层来暴露芯线，然后将MMF弯曲成半径为1毫米的U形[13]。随后，在暴露的芯线上沉积Au膜

光纤的制备

为了验证仿真结果和预测的性能提升，我们制备了所提出的传感器。制备的U形光纤半径为1毫米。其制备步骤如下：首先，剥离一段光纤的保护聚合物涂层以暴露二氧化硅包层，然后用乙醇彻底清洁暴露的表面以去除残留污染物。下一步是将剥离的光纤弯曲成U形

折射率（RI）测试

测量是在1.33233–1.37386的折射率范围内使用NaCl溶液进行的，如图7所示。

为了更清楚地展示新材料Y₂O₃带来的显著灵敏度提升，我们准备了Au膜传感器作为对比。测量了共振光谱并进行了线性拟合。根据图8的数据，可以分析出灵敏度为3018.53 nm/RIU，优值为13.70 RIU^?1。

图9展示了实验得到的SPR光谱

结论

本研究提出了一种新的U形Au/Y₂O₃/AuNPs光纤传感器，通过加入稀土氧化物材料Y₂O₃和AuNPs有效提高了灵敏度。与Au膜光纤传感器相比，该传感器的灵敏度提高了9920.9 nm/RIU，约为前者的3.29倍，其优值（FOM）和检测限（LOD）分别为33.85 RIU^?1和6.7 × 10^-5 RIU。温度影响测试的结果验证了该传感器对温度变化不敏感

CRediT作者贡献声明

李佩琳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，研究调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。张彦达：方法论，研究调查，正式分析，数据管理，概念化。郑欣：软件，正式分析，数据管理，概念化。王佳宇：可视化，正式分析，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了大学生创新与创业培训计划（项目编号：S202510145099）的支持。