基于过倾斜光纤光栅生化传感器的全面回顾与展望
本文旨在向中国科研界介绍一篇由重庆理工大学光纤传感器与光电检测重庆市重点实验室的陈复旦、顾宏、罗彬彬（通讯作者）及施圣辉合作撰写，并于2024年发表在学术期刊《Photonic Sensors》上的高水平综述论文。该论文的题目为《Bio-chemical sensors based on excessively tilted fiber grating》。综述系统性地总结了过倾斜光纤光栅（ExTFG）这一特殊光纤光栅器件在生化传感领域的研究进展、关键技术与广阔应用，为相关领域的研究者提供了清晰的学术脉络和前瞻性的视野。
论文核心要点与论述
1. ExTFG的基本原理、特性与优势 论文首先明确了ExTFG的定义及其独特地位。ExTFG是一种区别于传统光纤布拉格光栅（FBG）、长周期光纤光栅（LPFG）和倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）的特殊光纤光栅器件。其核心特征在于光纤纤芯内存在过倾斜（典型倾斜角θ为81°）的折射率调制条纹。这种特殊结构导致入射的纤芯基模光被耦合到高阶、正向传播的包层模中，并且由于显著的双折射效应，这些包层模会分裂为两组偏振相关的模式（TM模和TE模），从而在传输光谱中产生独特的双峰共振。
作者深入分析了ExTFG的传感机制，其本质是基于倏逝波与外界环境的相互作用。当包层模在光纤中传播时，其电磁场会延伸到包层外部形成倏逝场。外界环境折射率（SRI）的变化会改变包层模的有效折射率，进而导致其谐振波长发生漂移。通过监测TM和TE谐振峰的波长或强度变化，即可实现对SRI的高灵敏度测量。文中通过数值模拟，详细解释了不同阶次包层模的相位匹配条件及其SRI依赖性，为理解ExTFG的传感能力提供了理论基础。
相较于其他光纤传感方案，ExTFG展现出多重优势：1) 高折射率灵敏度：特别是对高阶包层模式或经过结构优化的ExTFG，其SRI灵敏度显著高于LPFG。2) 低热串扰：其温度敏感性与传统FBG相当，远低于LPFG，在复杂环境中能有效降低温度对生化测量的干扰。3) 高稳定性：基于波长解调，且无需对光纤进行微纳结构加工（如侧边抛磨、拉锥），机械稳定性好。4) 高品质因数（Q因子）：谐振峰锐利，有利于提高检测分辨率。这些特性使其成为生化传感领域极具潜力的平台。
2. 提升ExTFG生化传感性能的关键策略 为了使ExTFG从对SRI的通用传感转变为对特定生化分子的高灵敏度、高选择性检测，论文从两个层面综述了关键策略：灵敏度增强与表面生物功能化。
灵敏度增强策略： - 利用高阶包层模：研究表明，ExTFG对SRI的灵敏度与所激发的包层模阶数密切相关。高阶模式的倏逝场更强，与环境相互作用更显著，因此灵敏度远高于低阶模式。选择有效折射率接近待测介质折射率的高阶模式是提升灵敏度的有效方法。 - 减小包层直径：通过使用细包层光纤（TCoF）直接刻写ExTFG，或利用氢氟酸（HF）化学腐蚀标准光纤的包层，可以显著增强倏逝场强度，从而大幅提升SRI灵敏度。例如，将包层直径蚀刻至80μm时，灵敏度可达1526 nm/RIU（TM模）。 - 增加光栅长度：更长的光栅增强了光与物质相互作用的区域，有助于提高检测能力，尤其适用于需要增大活性表面积的生物传感应用。 - 沉积高折射率纳米材料：在ExTFG表面涂覆高折射率纳米材料（如碳纳米管、二氧化钛薄膜、金纳米壳）可以进一步增强倏逝场与环境的耦合。特别是金纳米壳等贵金属纳米颗粒能激发局域表面等离子体共振（LSPR）效应，带来基于强度的超高灵敏度变化（例如，报道的强度灵敏度可达~599%/RIU）。 - 结合游标效应（VE）：通过将ExTFG与另一个干涉仪（如保偏光纤Sagnac环）级联，形成具有微小自由光谱范围（FSR）差异的复合结构，可以将微小的波长移动放大数倍乃至数十倍。论文中介绍的ExTFG-Sagnac复合结构实现了-1286.40 nm/RIU的超高灵敏度，相比单一ExTFG有近一个数量级的提升。
表面生物功能化策略： 功能化旨在赋予ExTFG表面特异性识别目标分析物的能力。论文系统梳理了多种功能化方法及其所用材料： - 共价固定法：这是最常用且稳定的方法。通常步骤为：a) 光纤表面羟基化（活化）；b) 硅烷化（如使用APTES），引入氨基（-NH₂）等活性基团；c) 通过交联剂（如EDC/NHS）将生物识别元件（如抗体、酶、适配体）共价连接到活化的表面。此方法结合牢固，可重复性好。 - 典型识别材料——葡萄糖氧化酶（GOD）：GOD是首次将ExTFG应用于生物传感（葡萄糖检测）的关键材料。其原理是固定在传感器表面的GOD催化葡萄糖转化为葡萄糖酸，引起局部微环境折射率变化，从而被ExTFG检测。 - 葡萄球菌蛋白A（SPA）方法：SPA能特异性结合抗体的Fc段，使其Fab段朝外暴露，极大提高了固定化抗体的生物活性。该方法是构建无标记免疫传感器的核心，已成功用于猪圆环病毒2型（PCV2）、N端前B型利钠肽（NT-proBNP）、新城疫病毒（NDV）等抗原的特异性检测。 - 二维（2D）纳米材料修饰：使用氧化石墨烯（GO）、黑磷（BP）等2D材料修饰ExTFG表面，能大幅增加比表面积，提供丰富的官能团用于生物分子固定，并增强光与物质的相互作用。例如，BP修饰的传感器对人神经元特异性烯醇化酶（NSE）的检测灵敏度可比GO基传感器高100倍。 - 局域表面等离子体共振（LSPR）效应集成：将金纳米颗粒（AuNPs）或金纳米壳固定在ExTFG表面，形成ExTFG-LSPR复合传感器。LSPR效应对外界折射率变化极为敏感，能显著降低检测限。例如，用~80 nm金纳米球修饰的传感器对NDV的检测限比未修饰ExTFG提高了约5倍。 - GO增强的LSPR方法：针对金属纳米材料疏水性强、对蛋白质吸附能力有限的问题，提出先用GO薄膜修饰ExTFG，再在其上固定金纳米壳。GO的亲水性和丰富官能团改善了生物相容性，增强了蛋白质固定效率，结合LSPR效应，实现了对程序性死亡配体-1（PD-L1）等生物标志物的高灵敏度检测。
3. ExTFG生化传感器的多样化应用 论文详细列举并阐述了ExTFG传感器在多个重要领域的成功应用实例： - 化学传感： - pH传感：利用对pH敏感的水凝胶包裹ExTFG。水凝胶随pH值变化发生溶胀/收缩，对ExTFG产生应变，导致谐振波长移动。通过优化水凝胶厚度，灵敏度可达-0.718 nm/pH（pH 6-8范围）。 - 重金属离子检测：利用BP纳米片对重金属离子的强吸附特性，构建了基于BP-ExTFG的Pb²⁺传感器，实现了从0.1 ppb到15 ppm的超宽范围、超高灵敏度（0.5×10⁻³ dB/ppb）检测。 - 湿度（RH）传感：GO涂层因其亲水性，其吸湿性会改变ExTFG周围的折射率。GO-ExTFG湿度传感器展现出快速响应（42 ms）、快速恢复（115 ms）以及良好的线性度。 - 小分子有机物选择性检测——葡萄糖：通过共价固定GOD，ExTFG实现了对葡萄糖的特异性酶促检测。在细包层光纤（TCoF）上刻写的ExTFG，由于更强的倏逝场，其灵敏度可达约1.514 nm/(mg/mL)，检测限低至0.013-0.020 mg/mL，为无创或微创血糖监测提供了可能。 - 无标记免疫传感：这是ExTFG最具前景的应用方向之一。通过SPA法或纳米材料辅助固定特异性抗体，实现了对病毒（如PCV2、NDV）和疾病生物标志物（如NT-proBNP用于心衰、NSE用于癌症）的直接、无标记、高灵敏度检测。这些传感器避免了复杂的标记步骤，简化了操作，有望用于现场快速诊断和实时监测。
4. 论文的总结与展望 在结论部分，作者对ExTFG生化传感器的未来发展提出了展望。尽管ExTFG已在灵敏度、选择性和多功能性方面展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战，例如：进一步提高对超低浓度生物标志物的检测限；实现多参数（如同时检测多种病毒或生物标志物）集成传感；提升传感器在复杂实际样品（如全血、血清）中的抗干扰能力和长期稳定性；以及推动器件的小型化、集成化和低成本制造，以促进其从实验室走向临床和现场应用。
论文的学术价值与意义 这篇综述论文具有重要的学术价值。它首次系统、全面地梳理和总结了ExTFG在生化传感领域近十年的发展脉络。论文不仅深入剖析了ExTFG的物理原理和传感机制，更关键的是，它将分散的研究成果按照“性能优化策略（灵敏度提升与功能化）”和“应用领域拓展”两条主线进行了清晰的归纳和阐述，形成了一个完整的知识框架。文中引用了大量该团队及国际同行的前沿工作，数据详实，图表丰富，论证充分。这篇综述为光纤传感、生物医学检测、环境监测等领域的研究人员提供了宝贵的参考资料和技术路线图，有助于读者快速把握该领域的研究热点、技术难点和发展趋势，对推动ExTFG生化传感器的进一步创新研究和实际应用具有重要的指导意义。