近日，我室研究生王晓美（第一作者），戴世勋研究员（通讯作者）在Results in Physics期刊发表了题为“Platinum nanoparticle-incorporated graphene oxide-modified chalcogenide glass-tapered fiber for high-sensitivity measurement”的论文(2023, 47：106348. IF=4.565.)。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.rinp.2023.106348
光纤倏逝波传感器因具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、易于与其它传感检测技术相结合等优点，现已被广泛应用于生物医疗、工业污染物、食品检测等领域。近年来，基于低损耗石英光纤倏逝波传感的研究进一步拓展，然而由于石英光纤工作波长局限于2.3 μm 以内，难以应用于中红外领域传感检测。硫系玻璃光纤具有超宽的红外透过范围优点，可以作为传感媒介应用于废水污染物和液体监测以及生物医学检测等传感领域，但其传感灵敏度有限，如何进一步提升硫系光纤传感灵敏度成为研究热点之一。
本研究工作以拉锥Ge15Sb20Se65硫系光纤为光传输结构，选取二维纳米材料氧化石墨烯为增敏材料，通过“液相沉积法”将铂纳米粒子/氧化石墨烯涂层沉积在拉锥光纤的传感锥区，探索并实现了掺杂铂纳米金属粒子的氧化石墨烯涂覆拉锥Ge15Sb20Se65硫系光纤对乙醇溶液浓度检测灵敏度提升的研究。图1为涂覆拉锥光纤传感器模型示意图，氧化石墨烯涂层可以增强吸附，使乙醇分子富集于涂层。基于电荷转移引起折射率变化的原理，铂纳米金属粒子作为光催化剂可以促使电荷转移到氧化石墨烯层，从而增强拉锥光纤的倏逝场强度，如图2所示。结果发现，掺杂光催化剂铂纳米金属粒子可以极大地增强传感灵敏性，随着铂纳米粒子浓度的增大，铂纳米金属粒子/氧化石墨烯涂覆拉锥光纤检测乙醇的传感灵敏度增大，40 mg/L、80 mg/L、120 mg/L以及160 mg/L铂纳米粒子/氧化石墨烯溶液涂覆拉锥光纤检测乙醇溶液的传感灵敏度分别为11.7 E-4 a.u/%、21.6 E-4 a.u/%、23.1 E-4 a.u/% 以及24.5E-4 a.u/%，如图3所示。其中，浓度为160 mg/L的铂纳米金属粒子/氧化石墨烯溶液涂覆拉锥Ge15Sb20Se65硫系光纤检测乙醇的传感灵敏度，是氧化石墨烯涂覆拉锥光纤的2.43倍，是未涂覆拉锥光纤的7倍。这为今后推进高传感灵敏度硫系拉锥光纤传感器的实用化发展提供了科学数据和技术参考。
图1 涂覆拉锥光纤传感器模型示意图
图2 铂纳米金属粒子/氧化石墨烯涂覆拉锥Ge15Sb20Se65硫系光纤检测乙醇的传感装置图（内附传感原理）
图3 (a) 铂纳米粒子/氧化石墨烯涂覆拉锥光纤传感器探测乙醇溶液在9.20 μm 的吸收强度随乙醇溶液浓度的变化关系； (b) 涂覆传感器灵敏度与铂纳米粒子溶液浓度的关系