研究亮点

高精度光纤气体传感器

传统等离子体共振光纤传感器无法克服波导介质（RI~1.45）与气体介质（RI~1.0）之间过大的介电常数差异问题。在近红外波段，已报道的等离体子共振光纤传感器通常仅能使用于液体介质，无法使用于气体介质，并且最高测量精度限制在10^-6 RIU范围。内针对此问题，本工作在载氢高参锗单模光纤上写入倾斜角度大于35°的TFBG，其后向耦合的包层模有效折射率范围为0.9-1.45 RIU，可同时实现气体（折射率约1.0-1.1 RIU）与液体（折射率约1.33-1.45 RIU）介质的高精度测量。如图所示，通过磁控溅射方法在TFBG表面均匀镀上纳米量级金属薄膜和精确的偏振控制，实现了在空气环境下的高效率SPR激发，将测量对象由传统液态样品拓展至低折射率气体，实现了气体静态折射率和动态折射率变化（声波调制）的高精度检测，折射率测量精度达10^-8 RIU，较已报道SPR检测方式的最高测量精度提升了两个数量级。

空气环境激发等离子体共振实现光纤气体高精度测量

1. Christophe Caucheteur*, Tuan Guo*, Fu Liu, Bai-Ou Guan, Jacques Albert*, “Ultrasensitive plasmonic sensing in air using optical fibre spectral combs”, Nature Communications, (2016) 7: 13371.

2. Xuejun Zhang, Shunshuo Cai, Fu Liu, Hao Chen, Peiguang Yan, Tuan Guo* and Jacques Albert*, “In Situ Determination of the complex permittivity of ultrathin H₂-infused palladium coatings with a plasmonic fiber optic sensor in the near infrared”, Journal of Materials Chemistry C, 2018, Vol. 6, April 2018, 5161–5170.

3. Shunshuo Cai, Fu Liu, Runlin Wang, Yongguan Xiao, Kaiwei Li, Christophe Caucheteur, Tuan Guo*,“Narrow bandwidth fber-optic spectral combs for renewable hydrogen detection”, SCIENCE CHINA Information Sciences, DOI:10.1007/s11432-020-3058-2.

电池电量光纤原位测量

电化学储能设备（如锂离子电池、超级电容器）等被认为是目前储能效率最高、最具发展前景的新型能量存储设备，被广泛应用于清洁电力、电动汽车、移动医疗、便携式电子设备等领域。如何准确监控超级电容器工作状态下的实时储能及健康状态，对于深入理解其工作机制、分析并解决其衰减老化原因具有重要意义，可及时发现储能效率陡降的储能设备，避免续航能力中断带来的重大事故。

为了解决上述现有检测技术不具备实时在线监测能力的问题，我们发展了等离子共振增强型倾斜光纤光栅超高灵敏传感技术。该技术通过光纤内部光场激发光纤表面金膜的局域电子共振场，可实现对储能设备电极表面纳米尺度范围内的自由电子、离子局域密度场的超高精度检测，从而实时、原位检测储能设备的工作状态，实时读取储能设备工作状态下的电量、温度等重要工作参数信息，为使用者提供储能设备全面的健康状态信息。如图所示，由于光纤体积小，可直接植入储能设备内部，实现终生检测。此外，利用光纤的超长距离传输能力，该技术可实现太阳能、风能、潮汐能等大范围远程监测，为新能源的开发利用提供手段。

可植入式光纤电化学等离子体传感器实现电池电量原位测量

1. Jiajie Lao, Peng Sun, Fu Liu, Xuejun Zhang, Chuanxi Zhao, Wenjie Mai*, Tuan Guo*, Gaozhi Xiao and Jacques Albert, “In Situ Plasmonic Optical Fiber Detection of the State of Charge of Supercapacitors for Renewable Energy Storage”, Light: Science & Applications, (2018) 7: 34.

2. Yong Yuan, Tuan Guo*, Xuhui Qiu, Jiahuan Tang, Yunyun Huang, Li Zhuang, Shungui Zhou, Zhaohui Li, Bai-Ou Guan, Xuming Zhang and Jacques Albert, Electrochemical surface Plasmon resonance fiber-optic sensor: in-situ detection of electroactive biofilms, Analytical Chemistry, Vol. 88, No. 15, May 2016, 7609−7616.

3. Tuan Guo*, “Fiber grating assisted surface plasmon resonance for biochemical and electrochemical sensing, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 35, No. 16, Aug. 2017, 3323–3333. (Invited Review)

免标记生物医学光纤传感器

尿液中水通道蛋白（Aquaporins，AQPs）浓度变化与肾脏疾病的发生、发展密切相关，其异常表达是导致水液代谢失衡的重要因素。其中，AQP2是生理条件下肾脏最主要的受抗利尿激素调控的水通道蛋白，是维持体内水平衡调节的必需物质。由于AQP2可从细胞膜脱落至尿液中，因此检测尿液中AQP2含量的变化，对于评估肾脏功能及机体水液平衡调节状态具有重要的临床实用价值。然而，由于人体尿液中AQP2浓度极低，且其浓度随着患者早晚作息动态变化，传统的化验方法需经过样本采集、移送、预处理、标记、催化、比对等繁琐程序，不仅测量精度遇到瓶颈，而且容易错过检测的最佳“时间窗口”，无法提供连续的AQP2实时动态变化数据，严重制约了肾病的早期发现。此工作提出了利用TFBG的截止模和SPR模共同激发方法，实现了对AQP2的高精度检测。实现该方法的关键在于精确的镀膜厚度控。如图所示，利用磁控溅射镀膜方法，精确控制银膜厚度为30 nm。由于金属镀膜厚度低于SPR最优激发厚度（约50 nm），此时包层模一部分能量能以倏逝场形式透过金属层感知周围折射率变化，另一部分能量能在金属表面能激发SPR。因此，可在透射光谱中同时观察到截止模和SPR共振峰。由于两者均对环境折射率敏感，且其幅度响应特性正好相反，所以通过两个模式的幅度差分可实现灵敏度的双重叠加，提高至8000 dB/RIU。此方法成功实现了健康组、患病组、治疗康复组不同小鼠尿液样品中AQP2含量的精确量化检测，蛋白质检测灵敏度为5.5 dB/(mg/ml)、检测极限为1.5 μg/ml。

免标记光纤等离子体共振尿液标志物蛋白传感器

1. Tuan Guo, Fu Liu, Xing Liang, Xuhui Qiu, Chen Xie, Peng Xu, Wei Mao*, Bai-Ou Guan*, and Jacques Albert, Highly sensitive detection of urinary protein variations using tilted fiber grating sensors with plasmonic nanocoatings, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 78, No. 15, April 2016, 221–228.

2. Tuan Guo, Fu Liu, Yu Liu, Nan-Kuang Chen, Bai-Ou Guan*, Jacques Albert*, In-situ detection of density alteration in non-physiological cells with polarimetric tilted fiber grating sensors, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 55, May 2014, 452-458.

3. Xuejun Zhang, Ze Wu, Fu Liu, Qiangqiang Fu, Xiaoyong Chen, Jian Xu, Zhaochuan Zhang, Yunyun Huang, Yong Tang, Bai-Ou Guan, Tuan Guo* and Jacques Albert, “Hydrogen peroxide and glucose concentration measurement using optical fiber grating sensors with corrodible plasmonic nanocoatings”, Biomedical Optics Express, Vol. 9, No. 4, Apr. 2018, 1735–1744.

4. Christophe Caucheteur, Tuan Guo, Jacques Albert*, Review of plasmonic fiber optic biochemical sensors: improving the limit of detection, Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 407, No. 14, May 2015, 3883–3897. (Invited Review)

5. Tuan Guo, Álvaro González-Vila, Médéric Loyez and Christophe Caucheteur, “Plasmonic Optical Fiber-Grating Immunosensing: A Review”, Sensors, Vol. 17, Dec. 2017, 2732. (Invited Review)

矢量电磁场光纤传感器

倾斜光栅（TFBG）包层模对外界折射率敏感，但是测量电场等物理量，需要通过一些特殊材料让电场等物理量的变化转化为折射率的变化。在这里，通过与液晶材料的结合，使其可应用于电场传感。其原理是，当待测电压施加在液晶盒上时，液晶分子取向在待测电压作用下被调节，进而改变液晶有效折射率，TFBG的包层模光场强度随着液晶有效折射率的变化而变化，通过监测该包层模光场强度的变化感知液晶折射率及其分子取向变化，实现对待测电压的测量。如图所示，当液晶周围的电场从1.0增加到4.8 kV/cm时，液晶折射率由1.53增加至1.70，TFBG传感器灵敏度为约0.3 dB/kV，并且通过检测基模可消除温度交叉影响。

液晶封装型倾斜光纤光栅矢量电场传感器

同理，将倾斜光栅等离子体共振（TFBG-SPR）和磁流体（Fe₃O₄）结合，也可实现矢量磁场的检测。如图所示，自由分布的磁流体在外界磁场作用下将发生磁汇聚现象，磁颗粒汇聚的强度与方向正比于外加磁场大小与方向。磁颗粒汇聚引起光纤表面折射率的改变，可被TFBG激发的SPR高灵敏度探测。另一方面，利用TFBG特有的“两极汇聚”的SPR能量场分布特性可进一步实现磁场方向的精确测量，其原理在于精确测量光纤表面局域分布的SPR强共振场与在不同磁场大小和方向作用下的磁纳米粒子之间的纳米尺度不同程度的定向散射，获得了对磁场强度（灵敏度为1.8 nm/mT）的强指向性测量（方位角灵敏度为2 nm/度）。

磁流体封装型倾斜光纤光栅等离子体共振矢量磁场传感器

4. Xiaoyong Chen, Fa Du, Tuan Guo*, Jiajie Lao, Xuejun Zhang, Zhaochuan Zhang, Fu Liu, Jie Li, Chengkun Chen and Bai-Ou Guan, “Liquid Crystal-Embedded Tilted Fiber Grating Electric Field Intensity Sensor”, IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 35, No. 16, Aug. 2017, 3347–3351.

5. Zhaochuan Zhang, Tuan Guo*, Xuejun Zhang, Jian Xu, Wenping Xie, Ming Nie, Qiang Wu, Bai-Ou Guan, and Jacques Albert, Plasmonic fiber-optic vector magnetometer, Applied Physics Letters, Vol. 108, No. 10, Mar. 2016, 101105.

6. Tuan Guo*, Fu Liu, Bai-Ou Guan, and Jacques Albert, Tilted fiber grating mechanical and biochemical sensors, Optics & Laser Technology, Vol. 78, April 2016, 19–33. (Invited Review)