​MXene纤维的折射率传感器

【研究背景】
在多种生化应用中，例如生物学作用、化学反应和液体中溶质浓度的变化，折射率（RI）的准确检测起着至关重要的作用，因为这些生化过程通常伴随着RI的变化。然而大部分的折射率改变都很微小以至于很难检测。因此研究人员提供了各种类型的RI敏感传感器用于生化检测。即使借助表面等离子体共振(SPR)、表面增强拉曼散射(SERS)等技术，传统的光纤生物传感器仍然没有足够的灵敏度来检测反应中的RI变化。最近，各种新型二维材料被应用于生物传感器来提高其性能。通过二维材料的修饰，使得其更敏感，更多功能化。虽然许多实验研究表明，二维材料的存在回使生物传感器的性能得到提升，但是目前，二维材料改性的生物传感器大多还处于理论研究阶段。在众多二维材料中，MXenes由于出色的性能而获得大家的广泛关注。但是其在光纤生物传感器中的报道相对较少。

【成果简介】
近期，深圳大学张晗教授和李学金教授在国际知名学术期刊ACS Applied Nano Materials上发表一篇题目为：Refractive Index Sensors Based on Ti3C2Tx MXene Fibers的研究论文，在充分证明光纤SPR传感器和光纤RI传感器具有生物传感能力的前提下，本文制备了Ti3C2Tx MXene 纳米片来提高这两种生物传感器的灵敏度。通过沉积MXene纳米片，制造了不同规格的光纤SPR传感器和光纤RI传感器，用于增强灵敏度的研究。RI检测被用来量化传感器的性能改进。这两种传感器的灵敏度都有不同程度的提高，其中含有浓度最高的MXene层的光纤SPR传感器的灵敏度提高最高，达到29.9%，而光纤RI传感器的灵敏度提高了8倍以上。其灵敏度增强的机理与MXene的特性有关：表面丰富的官能团、宽带光学吸收、大的比表面积可以增强入射光、MXene以及待测生化样品的相互作用。鉴于光纤生物传感器的灵敏度得到了理想的提高，该工作介绍了MXene在生化传感中的新用途。
 
【图文导读】

图1.Ti3C2Tx  MXenes纳米片的制备流程图。

图2. 所用样品的材料表征。

图3. 光纤SCR传感器和光纤RI传感器增加MXene层之后的结构示意图。
 
图4.基于MXene 纳米片的光纤传感器的传感系统示意图。
 
图5.光纤传感器的圆柱表面沉积金膜前后的EDS比较。

图6.基于Au膜的常规光纤SPR传感器和带有MXene层的传感器的归一化光强随波长的变化。

图7.演示了归一化光强的变化、共振倾角的变化、灵敏度的变化和灵敏度的增强与不同浓度的MXene层的关系。

图8.基于MXene 纳米片的光纤RI传感器的SEM图像。

图9.在带有MXene层的光纤RI传感器的不同样本中检测RI增大的光谱，以及归一化光谱，用于检测提出的光纤RI传感器不同样本的RI升高。

图10.有无MXene层的光纤RI传感器表面短暂波的光吸收比较。

图11.带MXene层的光纤RI传感器不同样品在不同波长下的灵敏度。
 
【本文总结】
     本文制备了Ti3C2Tx MXene 纳米片并将其沉积在两种不同的光纤生物传感器表面。对带有MXene 纳米片的两个传感器进行了灵敏度增强研究，结果表明，光纤SPR传感器的亮度提高了30%，而光纤RI传感器的亮度提高了8倍以上。文章揭示, 对于光纤SPR传感器,Ti3C2Tx MXene是一种工作窗口调整材料，其促进了这些传感器的光谱检测；对于光纤RI传感器, Ti3C2TxMXene是一种广谱工作材料，其消除了光学工作波长对这类传感器的限制。本文中提出了结合MXene和光纤传感器优点的两种新型光纤生物传感器，具有体积小，功耗低，传输距离远，抗电磁干扰，易调节光电性能，生化功能，物理稳定性好，具有实际应用价值等优点。
 
文献链接：
https://dx.doi.org/10.1021/acsanm.9b01889.
信息来源：MXene Frontier