陳 靜，楊 曌，黃宇豪，周明輝，趙奔陽(yáng)，夏 歷，李 微

(華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

熒光檢測(cè)法具有極高的靈敏度、良好的鑒別性和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性，可以很好地將化學(xué)問(wèn)題物理化處理[1]。2020年1月，新型冠狀病毒肺炎疫情(簡(jiǎn)稱(chēng)新冠肺炎)全面爆發(fā)。熒光聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)檢測(cè)儀在病毒確診中起著關(guān)鍵作用[2]；但熒光PCR檢測(cè)儀仍在一些缺點(diǎn)，例如對(duì)操作人員及操作技術(shù)要求高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、儀器體積龐大不易攜帶等[3]。而光纖具有體積小、價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，如果將光纖與熒光檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，可以避免上述缺點(diǎn)。

熒光猝滅是指溶劑分子使熒光分子發(fā)生猝滅的現(xiàn)象[4]。1931年，Kautsky在葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)實(shí)驗(yàn)[5-6]中發(fā)現(xiàn)氧分子可以猝滅熒光，于是提出熒光猝滅原理[7]。氧分子、重金屬離子、溫度等都可以作為“熒光猝滅劑”，對(duì)熒光強(qiáng)度產(chǎn)生猝滅作用，基于熒光猝滅效應(yīng)的傳感器有效地利用了這一特點(diǎn)，具有重大的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

本文以基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感器為主題，通過(guò)對(duì)傳感光纖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)的方式，詳細(xì)地闡述了光纖與熒光檢測(cè)的有機(jī)結(jié)合，綜述了基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，最后對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

2 熒光猝滅原理

2.1 熒光檢測(cè)機(jī)理

當(dāng)光照射到某物質(zhì)上時(shí)，其原子核周?chē)碾娮游展饽芰?，從基態(tài)躍遷到高能級(jí)激發(fā)態(tài)。由于單線態(tài)的不穩(wěn)定性，電子會(huì)恢復(fù)到基態(tài)自發(fā)輻射產(chǎn)生熒光，該現(xiàn)象稱(chēng)為弛豫[8]，熒光光譜較吸收光譜波長(zhǎng)的紅移稱(chēng)為斯托克斯位移[9]。根據(jù)待測(cè)物的不同，可以通過(guò)解調(diào)發(fā)射光譜[10-11]、熒光強(qiáng)度[12-13]和熒光壽命[14-15]等參數(shù)來(lái)定量分析待測(cè)物。熒光檢測(cè)法主要是基于具有熒光效應(yīng)的物質(zhì)進(jìn)行直接檢測(cè)或利用熒光染料標(biāo)記法進(jìn)行間接檢測(cè)。

2.2 熒光猝滅效應(yīng)

熒光猝滅可以簡(jiǎn)單地描述為通過(guò)熒光分子和猝滅分子的相互作用來(lái)減少熒光分子的熒光強(qiáng)度[16]。熒光猝滅可以分為兩個(gè)類(lèi)別，分別是靜態(tài)猝滅和動(dòng)態(tài)猝滅。靜態(tài)猝滅指兩分子弱結(jié)合形成的復(fù)合物使熒光完全消失；動(dòng)態(tài)猝滅則是一種電子轉(zhuǎn)移或能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程，熒光的猝滅程度和猝滅劑有關(guān)[17-18]。動(dòng)態(tài)猝滅主要包括：濃度猝滅、雜質(zhì)猝滅、溫度猝滅等，其過(guò)程通常遵循Stern-Volmer方程：

(1)

其中，I0、τ0、I和τ分別是濃度為CQ的指示劑染料在不存在和存在猝滅劑時(shí)的熒光強(qiáng)度和熒光壽命；KSV是Stern-Volmer猝滅常數(shù)，單位通常為濃度單位的倒數(shù)，與猝滅劑的猝滅效率有關(guān)。熒光信號(hào)取決于猝滅劑濃度，所以在包含或添加了熒光化合物的樣品中，可以通過(guò)猝滅作用來(lái)確定其信息。

3 傳感光纖結(jié)構(gòu)

3.1 空間光耦合型

光纖在熒光檢測(cè)中最簡(jiǎn)單的應(yīng)用是將其用于激發(fā)光和接收光的傳輸，熒光檢測(cè)過(guò)程則在光纖外的空間中進(jìn)行。由于激發(fā)光纖和接收光纖的分離式結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致大部分的熒光信號(hào)丟失，所以經(jīng)典的結(jié)構(gòu)是由1根激發(fā)光纖和6根接收光纖構(gòu)成的組合光纖[19]。但是在該光纖模式中，大量的入射光會(huì)被耦合進(jìn)入低階模式，并且被噪聲信號(hào)干擾的接收光纖存在閾值飽和問(wèn)題，影響熒光信號(hào)的解調(diào)。為解決上述問(wèn)題，Sandra等[20]將兩根標(biāo)準(zhǔn)多模光纖組成一個(gè)直徑約為150 μm的光纖探針，如圖1所示。該結(jié)構(gòu)的傳輸功率損耗小于0.2 dB，由于波導(dǎo)纖芯不耦合，不會(huì)造成無(wú)關(guān)干擾。Moradi等[21]則利用微流控芯片的高度集成化、低消耗等優(yōu)勢(shì)，提出如圖2所示的蛇形通道微流控結(jié)構(gòu)，同樣可以有效地減少信號(hào)干擾。

圖1 雙光纖探針的端面(a)、組成材料(b)、傳感探頭(c)。

圖2 蛇形結(jié)構(gòu)微流控芯片

3.2 微結(jié)構(gòu)光纖型

光在纖芯中以駐波形式傳輸，傳輸過(guò)程中光波會(huì)部分透射進(jìn)入光纖包層大約一個(gè)波長(zhǎng)深度，而后反射回到纖芯。如圖3所示，該透射光波的振幅隨穿透深度的增加呈指數(shù)衰減，故稱(chēng)為倏逝波[22]。拉錐光纖、裸芯光纖等微結(jié)構(gòu)光纖可以有效地使倏逝波泄露，光纖泄露的倏逝波則可以激發(fā)熒光物質(zhì)產(chǎn)生熒光。

圖3 光纖倏逝波原理圖

Li等利用拉錐光纖結(jié)構(gòu)搭建了如圖4(a)所示的熒光傳感系統(tǒng)[23]，激光光源在光纖拉錐區(qū)泄露倏逝波，從而激發(fā)熒光染料羅丹明6G產(chǎn)生熒光。熒光信號(hào)在拉錐區(qū)域產(chǎn)生并且耦合進(jìn)入光纖，圖4(b)～(d)分別表示自然狀態(tài)、激光入射時(shí)和激發(fā)熒光時(shí)錐形光纖的掃描電子顯微鏡圖像。

圖4 拉錐光纖熒光傳感系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置。(a)顯微鏡下的自然狀態(tài)；(b)激光入射；(c)熒光激發(fā)；(d)圖像。

上述實(shí)驗(yàn)中需要將拉錐光纖嵌入檢測(cè)皿中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)方便快速地進(jìn)行檢測(cè)，Zhang等[24]提出裸芯結(jié)構(gòu)的光纖探針，直接將制備好的光纖探針伸入大腸桿菌溶液中進(jìn)行快速檢測(cè)。圖5(a)為光纖熒光傳感系統(tǒng)，圖5(b)為裸芯錐形光纖結(jié)構(gòu)，利用管腐蝕法來(lái)去除光纖包層。而上述光纖探針不具有特異性檢測(cè)能力，Zhang等[25]在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上用化學(xué)手段功能化處理光纖探針，使光纖探針表面交聯(lián)抗體，抗體能夠與大腸桿菌特異性結(jié)合。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)用熒光染料碘化丙啶標(biāo)記了大腸桿菌死菌，倏逝波激發(fā)碘化丙啶產(chǎn)生熒光，實(shí)現(xiàn)了對(duì)死菌的檢測(cè)。

圖5 裸芯光纖探針熒光傳感系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置(a)與裸芯結(jié)構(gòu)(b)

圖6 功能化處理光纖探針原理圖

3.3 空心光纖

熒光檢測(cè)過(guò)程都需要在暗室中進(jìn)行，避免外界環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。如果將熒光檢測(cè)過(guò)程置于空心光子晶體光纖(HC-PCF)中進(jìn)行，則可以有效地抵抗環(huán)境的干擾。并且HC-PCF通過(guò)纖芯空氣孔導(dǎo)光提供基模傳輸，能夠?qū)?9%的光都限制在纖芯內(nèi)傳輸，實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸[26]。為估算HC-PCF纖芯傳播模式數(shù)，Cregan等[27]推導(dǎo)了近似估算公式如下：

(2)

(3)

其中，NPBG為傳播的導(dǎo)模數(shù)，n1為纖芯折射率，βH、βL分別為定波長(zhǎng)下傳播常數(shù)最大值和最小值。由公式可知，HC-PCF纖芯半徑必須適中，以接近理想傳輸模式。在該原理基礎(chǔ)上，Chen等[28]提出如圖7所示的HCPCF結(jié)構(gòu)，空心孔尺寸為4.8 μm。包層孔用融合拼接技術(shù)密封，中心孔保持開(kāi)放，并允許通過(guò)聚合誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)分子溶液。在基于該結(jié)構(gòu)的AIE分子檢測(cè)中，僅需0.36 nL樣本就可以完成實(shí)驗(yàn)。HC-PCF結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多樣，Yu等[29]設(shè)計(jì)并制造了如圖8所示的HC-PCF結(jié)構(gòu)，將花青素Cy3、Cy5的混合溶液作為熒光染料注入到中空纖芯中，成功實(shí)現(xiàn)了激光的熒光共振能量轉(zhuǎn)移。

圖7 基于AIE誘導(dǎo)分子的HC-PCF傳感原理圖

圖8 基于花青素染料的HC-PCF結(jié)構(gòu)

4 基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感器應(yīng)用

4.1 重金屬離子檢測(cè)

工業(yè)排出的污水中還有大量的Cu2+、Fe3+、Hg2+等重金屬離子，重金屬離子對(duì)人體危害極大，痕量重金屬離子的檢測(cè)也是研究熱點(diǎn)[30-31]。利用重金屬離子對(duì)熒光的猝滅效應(yīng)，基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感器也廣泛應(yīng)用于重金屬離子檢測(cè)中。Zhou等[32]在裸芯光纖探針結(jié)構(gòu)表面交聯(lián)碲化鎘(CdTe)量子點(diǎn)(QDs)，并摻雜水凝膠。QDs是把激子在三維空間方向上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)作為一種特殊的納米材料，具有特殊的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)[33-34]。在該結(jié)構(gòu)中，QDs可以被擴(kuò)散到水凝膠基質(zhì)，待測(cè)液中的Fe3+對(duì)其進(jìn)行選擇性猝滅，可用于實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。傳感器濃度響應(yīng)在0～3.5 μmol/L范圍內(nèi)呈線性，檢測(cè)限為14 nmol/L。Liu等[35]利用聚乙烯醇將AgInZnS-QDs沉積在光纖尖端制成光纖探針檢測(cè)Cu2+含量，如圖9所示為檢測(cè)過(guò)程中的光譜圖和其濃度響應(yīng)。隨著濃度的增加，熒光強(qiáng)度逐漸減小，在2.5～800 nmol/L濃度范圍傳感器呈線性響應(yīng)。

窖內(nèi)堆放薯塊的高度，因品種和窖的條件而不同。地下或半地下窖堆放時(shí)，不耐藏的、易發(fā)芽的品種堆高為0.5～l米；耐貯藏、休眠期中等的品種堆高1.5～2米；耐貯藏、休眠期長(zhǎng)的品種堆高2～3米.但最高不宜超過(guò)3米。同時(shí)還要考慮貯藏窖的容積，貯藏量不能超過(guò)全窖容積的2/3，最好為1/2左右，以便管理。溝藏時(shí)薯堆高度以l米左右為宜。

圖9 用于Cu2+檢測(cè)的AgInZnS-QDs光纖探針光譜(a)與濃度響應(yīng)(b)

Helena等[36]提出一種基于碳點(diǎn)納米顆粒的Hg2+濃度傳感系統(tǒng)，該納米顆粒利用溶膠-凝膠方法在光纖探針表面生成一層薄膜。實(shí)驗(yàn)可檢測(cè)亞微米級(jí)濃度的Hg2+水溶液，在pH=6.8環(huán)境下，其Stern-Volmer常數(shù)KSV達(dá)到5.3×105L/mol。為尋求更加便捷的實(shí)驗(yàn)裝置，Liu等[37]用智能手機(jī)取代光譜儀，利用硒化鎘/硫化鋅(CdSe/ZnS)QDs改性后的光纖探針進(jìn)行Hg2+檢測(cè)。如圖10所示為QDs改性原理圖，QDs通過(guò)鍵合的方式與光纖探針表面交聯(lián)。熒光信號(hào)由智能手機(jī)收集和處理，最終得到檢測(cè)范圍為1～1 000 nmol/L，檢測(cè)限可以達(dá)到1 nmol/L。

圖10 CdSe/ZnS-QDs QDs改性原理

4.2 爆炸物檢測(cè)

微量炸藥的準(zhǔn)確測(cè)量與國(guó)際安全和日常生活安全息息相關(guān)，光纖熒光傳感技術(shù)因其方便、快捷、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)成為炸藥檢測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所從2005年開(kāi)始研制的SIM系列痕量爆炸物探測(cè)器[38]，采用了熒光聚合物猝滅傳感技術(shù)。通過(guò)擦拭采樣或吸氣采樣，可以快速檢測(cè)三硝基甲苯(TNT)、二硝基甲苯(DNT)、硝化甘油(NG)、硝酸銨(AN)、黑火藥(BP)、塑性炸藥(C4)等爆炸物。Chu等[39]基于熒光猝滅原理對(duì)硝基芳香族炸藥TNT進(jìn)行檢測(cè)，將光纖繞棒纏繞構(gòu)成的螺旋結(jié)構(gòu)作為傳感部位，熒光猝滅劑為聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)，測(cè)定熒光強(qiáng)度和壽命來(lái)確定TNT濃度，傳感器靈敏度達(dá)到了5 ng/mL。

中國(guó)科學(xué)院軟物質(zhì)化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Liu等[40]制作了錐形光纖探針，并交聯(lián)熒光多孔聚合物膜結(jié)合在其表面，其存在的多面體低聚硅倍半氧烷(POSS)使膜呈現(xiàn)出有序的多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)該膜存在具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射特性的四苯基乙烯(TPE)以產(chǎn)生強(qiáng)烈的熒光。利用激光光源激發(fā)熒光對(duì)TNT和DNT濃度進(jìn)行檢測(cè)，圖11為T(mén)NT檢測(cè)的光譜和濃度響應(yīng)；TNT濃度在100×10-9情況下，熒光猝滅在30 s時(shí)達(dá)到25.2%，在120 s時(shí)達(dá)到51.8%，在5 min內(nèi)達(dá)到了73.5%。TPE及其衍生物具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光特性，在光電材料領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。Yang等[41]提出了基于熒光猝滅效應(yīng)的HC-PCF揮發(fā)性痕量炸藥傳感器，該傳感器是將烯丙基四苯乙烯(AL-TPE)熒光納米薄膜涂覆在HC-PCF芯空氣孔內(nèi)。如圖12所示為AL-TPE膜與TNT之間的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，激發(fā)態(tài)AL-TPE分子與處于基態(tài)的爆炸分子之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低，產(chǎn)生猝滅效應(yīng)。當(dāng)膜厚為155 nm時(shí)，對(duì)TNT的檢測(cè)靈敏度達(dá)到了0.309×109，最小檢測(cè)限0.340×10-9；膜厚為110 nm時(shí)，DNT的響應(yīng)時(shí)間達(dá)到120 s。

圖11 用于TNT檢測(cè)的光纖錐形探針光譜(a)與濃度響應(yīng)(b)

圖12 AL-TPE膜和TNT之間的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程

4.3 溶解氣體檢測(cè)

溶解氣體的精準(zhǔn)檢測(cè)在環(huán)境、生物、工業(yè)領(lǐng)域都具有重要意義，例如一氧化氮(NO)溶液的濃度檢測(cè)可以診斷高血壓、心衰、糖尿病等疾病，氧溶液的檢測(cè)可以應(yīng)用于污水處理廠、自來(lái)水廠水質(zhì)的診斷。許多氣體分子對(duì)熒光存在猝滅效應(yīng)，因此也開(kāi)拓了基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感器在溶解氣體檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。Ding等[42]搭建了熒光探針結(jié)構(gòu)傳感系統(tǒng)，將CdSe-QDs和醋酸纖維素(CA)作為敏感膜來(lái)檢測(cè)水溶液中的NO，其中CdSe-QD通過(guò)簡(jiǎn)單的雜交方法嵌入CA中。NO自由基可以很容易地與水中的溶解氧發(fā)生反應(yīng)并與Cd2+發(fā)生配位，對(duì)敏感膜中CdSe-QDs的熒光有明顯的猝滅作用。使用這種新型的光纖傳感器，通過(guò)相位調(diào)制熒光法確定了NO濃度。如圖13所示，在最佳條件下，1.0×10-7～1.0×10-6mol/L檢測(cè)范圍中的線性擬合系數(shù)為0.990 8，最低檢測(cè)限達(dá)到了1.0×10-8mol/L。

圖13 不同濃度NO溶液的相位變化

鄧輝等[43]利用動(dòng)態(tài)化學(xué)腐蝕法制備錐尖型光纖端面，以提拉法鍍?nèi)苣z凝膠敏感膜組裝了基于熒光猝滅的直徑僅1.5 μm的光纖氧溶液傳感探頭。探頭錐面的長(zhǎng)徑比可通過(guò)調(diào)控腐蝕參數(shù)調(diào)控，構(gòu)建相移測(cè)量系統(tǒng)，優(yōu)化參數(shù)后進(jìn)行0～21%范圍內(nèi)的氧含量測(cè)定，工作曲線呈現(xiàn)良好的線性特征，擬合系數(shù)為0.999 6，偏差小于測(cè)量值的5%。此外，德國(guó)E+H公司研制的溶解氧傳感器Oxymax COS61D[44]，同樣基于熒光猝滅原理進(jìn)行傳感。該傳感器檢測(cè)范圍0～20 mg/L，在<12 mg/L范圍內(nèi)，最大測(cè)量誤差為±1%；在12～20 mg/L范圍內(nèi)，最大測(cè)量誤差為±2%。

4.4 溫度檢測(cè)

溫度會(huì)使熒光強(qiáng)度降低產(chǎn)生熒光猝滅現(xiàn)象，基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感技術(shù)也可以對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)。這種基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感技術(shù)不受傳感器外部變形的影響，是一種能夠消除周?chē)h(huán)境和背景噪聲干擾的溫度選擇性傳感器。Zhao等[45]利用微結(jié)構(gòu)雙拉錐結(jié)構(gòu)光纖作為探針進(jìn)行溫度的檢測(cè),將Mg6As2O11∶Mn4+作為熒光材料。通過(guò)對(duì)熒光強(qiáng)度的解調(diào)，得到該溫度傳感器的精度為2 ℃，溫度范圍30～210 ℃，該微傳感器的響應(yīng)時(shí)間比傳統(tǒng)傳感器快50～100倍。而日本安立(Anritsu)公司研制的熒光式光纖溫度計(jì)[46-47]已經(jīng)完全商業(yè)化，達(dá)到了-195.0～450.0 ℃的檢測(cè)范圍，精度為0.1 ℃。其產(chǎn)品由FX系列發(fā)展到FL系列[48]，如圖14所示為FL-2000型號(hào)產(chǎn)品探頭結(jié)構(gòu)?；跓晒忖缭恚霉饫w前端表面存在的熒光物質(zhì)進(jìn)行溫度檢測(cè)，從接收激勵(lì)光到衰減的壽命作為溫度傳感信息。

圖14 FL-4000型號(hào)光纖探頭

4.5 其他領(lǐng)域應(yīng)用

除了上述參量的檢測(cè)，基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖熒光傳感器也在其他領(lǐng)域檢測(cè)中得到了應(yīng)用。Ton等[49]在光纖波導(dǎo)上涂覆含有熒光信號(hào)基團(tuán)的MIP，MIP由萘基熒光單體組成，用于檢測(cè)除草劑中的2,4-二氯苯氧乙酸和桔霉素。萘基單體與分析物的羧酸基分子結(jié)合后熒光增強(qiáng)，從而降低了氮給電子的能力，阻止負(fù)責(zé)熒光猝滅的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移，使MIP的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)具有濃度依賴(lài)性。中國(guó)科學(xué)院軟物質(zhì)化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室Zhu等[50]利用三烯丙基異氰脲酸酯、烷烴二硫醇和酸堿D-天冬氨酸復(fù)合(PBIM/D-Asp)在光纖探針末端形成MIP膜用于D-Asp含量檢測(cè)，當(dāng)pH值達(dá)到堿性條件時(shí)，PBIM結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化從而導(dǎo)致熒光猝滅。Nguyen等[51]制備了光纖探針，選擇吖啶作為熒光染料，利用Cl-的熒光猝滅效應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)限達(dá)到0.1 mol/L。美國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究中心Polley等[52]在光纖探頭表面交聯(lián)乙錠染料，實(shí)現(xiàn)對(duì)DNA的檢測(cè)。

5 未來(lái)發(fā)展

2017年，清華大學(xué)楊昌喜研究團(tuán)隊(duì)提出一種由有機(jī)硅聚合物制成的可穿戴式光纖傳感器[53]，該傳感器能夠承受和檢測(cè)伸長(zhǎng)率達(dá)100%的形變，可以實(shí)時(shí)、有效地感測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。該有機(jī)硅聚合物為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，制造出的PDMS光纖表現(xiàn)出很好的機(jī)械柔韌性。為了輔助傳感，研究人員將熒光染料羅丹明B混入光纖中，當(dāng)光通過(guò)光纖時(shí)，部分光被熒光染料吸收；光纖拉伸越大，染料吸收的光就越多，因此由分光鏡檢測(cè)投射光就可以測(cè)量光纖的拉伸和彎曲程度。

熒光材料選擇的多樣性決定了其應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感器結(jié)合了熒光和光纖的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景可觀，但是目前光纖熒光傳感技術(shù)仍面臨一些挑戰(zhàn)。

5.1 增強(qiáng)集光能力

上述提及的空間光耦合型、微結(jié)構(gòu)光纖型等多樣的光纖結(jié)構(gòu)，目的都是為了使光纖能夠最大程度地收集產(chǎn)生的熒光，提高傳感器靈敏度的同時(shí)，減少雜散光的干擾。熒光猝滅材料中的共軛聚合物消光系數(shù)可達(dá)106L·mol-1·cm-1，具有較強(qiáng)的集光能力[54]；在HC-PCF空氣孔內(nèi)進(jìn)行熒光反應(yīng)，能夠極大地接收熒光，但是其實(shí)驗(yàn)要求高難以實(shí)用化。用多種方式增強(qiáng)光纖收集熒光的能力，仍然是目前的研究熱點(diǎn)。

5.2 提高熒光產(chǎn)率

熒光產(chǎn)率是指發(fā)射熒光的光子數(shù)n2與被激活物質(zhì)從泵浦源吸收的光子數(shù)n1之比，是評(píng)價(jià)熒光材料性能最直觀的參考數(shù)據(jù)。目前的研究除了尋求和制備高熒光產(chǎn)率的熒光分子外，也會(huì)通過(guò)在原有熒光材料基礎(chǔ)上摻入雜質(zhì)物質(zhì)來(lái)提高。例如，釔摻雜的碳量子點(diǎn)熒光產(chǎn)率達(dá)到41%[55]，相較于未摻雜情況提升了17.3%。但目前熒光材料的熒光產(chǎn)率仍有待提高。而且通過(guò)從材料入手來(lái)提高熒光產(chǎn)率的方式，可以避免改變傳感系統(tǒng)性能來(lái)提高靈敏度，可靠性更強(qiáng)。

5.3 便攜實(shí)時(shí)原位檢測(cè)

原位檢測(cè)是不破壞待測(cè)物自身結(jié)構(gòu)、狀態(tài)而進(jìn)行的無(wú)損傷檢測(cè)方式，對(duì)于熒光猝滅光纖傳感來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。熒光檢測(cè)環(huán)境不能夠僅僅局限于在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，最終目標(biāo)仍然是實(shí)現(xiàn)便捷實(shí)時(shí)原位的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。目前熒光猝滅光纖傳感器產(chǎn)品已涉及爆炸物、水質(zhì)等領(lǐng)域，但是設(shè)計(jì)緊湊便捷傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、開(kāi)拓更多應(yīng)用領(lǐng)域、實(shí)時(shí)地實(shí)地快速檢測(cè)，仍然是研發(fā)工作人員的研究目標(biāo)。

6 結(jié) 論

基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感技術(shù)能夠有效地利用光纖體積小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速、便捷地特異性檢測(cè)。本文以熒光猝滅原理為基礎(chǔ)，從傳感光纖結(jié)構(gòu)、基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感器應(yīng)用兩個(gè)方面簡(jiǎn)要敘述了光纖與熒光檢測(cè)的結(jié)合機(jī)理及傳感器相關(guān)應(yīng)用?；跓晒忖绲墓饫w傳感器有望作為類(lèi)纖維嵌入衣物中，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的智能傳感。而基于熒光猝滅效應(yīng)的光纖傳感技術(shù)也面臨挑戰(zhàn)，未來(lái)將朝著集光能力更強(qiáng)、熒光產(chǎn)率更高、便攜實(shí)時(shí)原位檢測(cè)方向發(fā)展。