《Sensors and Actuators Reports》：Fiber-optic localized surface plasmon resonance sensor excited with ambient light through a fluorescent fiber
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该研究针对传统基于局域表面等离子体共振(LSPR)的光纤传感器需要昂贵、精密的光源和光机耦合元件的问题，创新性地提出并验证了利用环境光（或低功耗白光LED）通过中间荧光聚合物光纤（FOF）来激发LSPR传感的方案。研究团队制备了金纳米粒子（AuNPs）功能化的D形多模光纤（MMF），并利用经环境光激励的FOF作为光源，成功实现了对水溶液中异丙醇(IPA)和葡萄糖的折射率传感，探测极限达1×10-4，为开发低成本、环保且持久的光纤LSPR传感器提供了新思路。
在过去几年里，基于局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance， LSPR)的光纤传感器因其小巧、灵活且适合在偏远地点监测化学和生物参数而备受关注。这种传感器的核心原理是，当贵金属（如金、银）制成的纳米粒子被特定波长的光照射时，会发生局域表面等离子体共振，其共振波长或强度会随纳米粒子周围折射率的微小变化而发生灵敏改变。然而，要将这种先进技术变成现实可用的传感工具，还面临一个看似基础却至关重要的挑战：如何稳定、高效且经济地为传感器“注入”光。传统的LSPR光纤传感系统离不开宽带激发光源（如卤素灯、固态光源）和高质量的光机元件（如透镜、物镜）来将光聚焦并耦合到微米级的纤芯中。这些光源不仅成本较高、寿命有限，还会产生电子垃圾，其配套的精密光学调整架也使得整个系统笨重且对环境振动敏感，限制了其在资源有限或需要长期部署场景中的应用。为了解决这些问题，研究人员开始探索新的激发方式，例如利用手机LED闪光灯或荧光光纤。但这些方案也各有局限，要么需要微型耦合元件或对手机进行永久性改装，要么涉及复杂的真空镀膜工艺。因此，寻找一种更加简单、廉价、绿色且免维护的LSPR光纤传感激发方案，成为一个亟待突破的研究方向。
发表在《Sensors and Actuators Reports》上的这项研究，为上述问题提供了一个极具巧思的答案。来自西班牙巴斯克大学的研究团队Lucero M. Hernandez-Cedillo、Maria A. Illarramendi、Igor Ayesta、Joseba Zubia和Joel Villatoro首次提出并验证了利用环境光（实验室环境光或廉价白光LED）通过一根中间荧光聚合物光纤来激发LSPR光纤传感的可行性。他们绕开了传统方案中复杂的“光源-光纤”直接耦合难题，转而利用一根经过特殊设计的、双掺杂的聚合物荧光光纤作为“光的转换器和传导桥梁”。这根荧光光纤能够吸收宽谱的环境光（或LED光），并在其特定的发射波段重新发光，而这个发射波段恰好与金纳米粒子的LSPR共振波长相匹配。产生的荧光被限制在光纤内传导，然后通过简单的端面对接方式，轻松注入到传感光纤中，完全省去了透镜等光学聚焦元件。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了几个关键技术方法。首先，他们制备了传感探头：使用一段侧边抛磨成D形的多模光纤，通过大气等离子体快速、绿色地活化其表面，然后先后用APTES（(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷）功能化和浸入金纳米粒子悬浮液的方法，在抛磨区固定了40纳米直径的球形金纳米粒子，并通过热固化增强其附着力，其形貌通过扫描电子显微镜确认。其次，他们制备并表征了光源组件：使用一根直径为1毫米、芯层双掺杂了有机染料香豆素C6和无机铕络合物Eu(TTFA)?Phen的聚合物荧光光纤，将其盘绕在透明PMMA圆柱上以最大化收集环境光，一端连接传感光纤，另一端端面镀铝镜以反射背向传输的荧光。最后，搭建了测量系统：将荧光光纤的发射光与D形传感光纤对接，使用微型光谱仪分析透射光谱，并通过计算吸光度来追踪LSPR信号的变化。为验证性能，他们配置了水与异丙醇的混合物以及不同浓度的葡萄糖水溶液作为测试样本。
研究结果与讨论
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材料与传感探头的制备与表征
研究详细描述了D形多模光纤的预处理、等离子体活化、硅烷化功能化以及金纳米粒子固定的全过程。扫描电子显微镜图像证实了金纳米粒子成功且均匀地固定在光纤的抛磨区域，为后续的传感实验奠定了基础。荧光光纤的核心由PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）制成，其宽吸收带（约250-500纳米）使其能有效利用太阳光谱或室内光，而吸收与发射带之间的最小光谱重叠有助于减少重吸收损耗。
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荧光光纤与光源性能评估
实验测量了实验室环境光和白光LED的激发光谱，并比较了荧光光纤在这两种激发条件下的发射光谱。结果显示，尽管激发强度差异显著（实验室光强约为LED的30.1%），但归一化后的发射光谱形状非常相似，表明激发源距离主要影响荧光光纤出射光的总体强度，而非光谱分布。更重要的是，即使该荧光光纤在传感实验前已制造了8年，其在长达135分钟的白光LED持续激发下，发射光谱强度未出现可测量的波动，证明了其作为LSPR传感光源的长期稳定性和可靠性。
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基于不同光源的折射率传感验证
研究人员首先使用白光LED激发荧光光纤，测试了传感探头对不同折射率的水-异丙醇混合物的响应。结果表明，随着混合物折射率的增加，LSPR共振波长发生红移。随后，他们用实验室环境光替代LED重复了实验，得到了相同的变化趋势，成功验证了仅凭环境光即可实现LSPR光纤传感。这两组实验的插图还展示了LSPR信号随异丙醇浓度增加的演变过程。
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葡萄糖浓度检测与探测极限分析
为了进一步探究传感器的潜力，研究团队制备了浓度范围为0 mM至40 mM的葡萄糖水溶液。此次，他们关联的是吸光度幅值而非共振波长。结果发现，即使低至2 mM的葡萄糖浓度也能引起LSPR吸光度的可测量变化。插图展示了不同葡萄糖浓度下的LSPR光谱。数据分析表明，该传感器能够分辨出1×10-4的折射率变化。值得注意的是，如此高的灵敏度是通过一个极其简单的测量系统实现的。文章同时指出，为了实现葡萄糖的特异性检测，需要对金纳米粒子进行适当的功能化修饰。
结论与意义
本研究成功报道了一种结构极其简单的LSPR光纤传感器。其核心创新在于采用了一根低成本、环保的荧光聚合物光纤作为光源，该光源可直接被环境光或低功耗白光LED激发。由此产生的荧光能够无需任何透镜、物镜或准直器等笨重光学元件，便轻松注入D形玻璃多模光纤。传感探头上的球形金纳米粒子通过快速、绿色的工艺固定。作为概念验证，研究团队展示了其对水-异丙醇混合物的体折射率传感能力，并成功检测了低浓度葡萄糖水溶液。实验结果表明，该简单、廉价的系统能够达到1×10-4的实验分辨率。
这项工作的意义重大，它为实现低成本、持久、环保且可持续的LSPR光纤传感开辟了一条全新路径。它消除了传统方案中对高性能稳定光源和精密光机耦合的依赖，极大地降低了系统的复杂性、成本和维护需求，使得LSPR传感技术在资源有限环境、远程长期监测以及普及化生物化学检测中具有更广阔的应用前景。由于金纳米粒子可以通过成熟的协议进行功能化以检测特定分析物，因此本研究报道的传感器和测量方案有望在众多生物传感和化学传感领域找到用武之地。
