作为光纤光学与纳米技术的完美结合，微纳光纤(MNF)被誉为“下一代光纤”，已成为当今科学前沿研究方向之一。微纳光纤的直径通常接近或小于传输的光波长，具有光场约束强、倏逝场比例大、弯曲损耗小等新颖的光学传输特性，在传感检测、光通信、激光器、非线性光学、量子光学等领域受到了广泛关注。

其中，微纳光纤传感器是目前最为活跃的研究领域之一。微纳光纤传感器不仅继承了光纤传感器抗电磁干扰、生物兼容性好、易于实现多路复用或分布式传感器等优点，而且在研制具有更高灵敏度、更快响应时间、更小器件尺寸、更低功耗的微纳光纤传感器时展示了巨大的优势和潜力。

近年来，微流控技术与微纳光纤的融合促进了微纳光纤传感器的发展，形成了一种新型的光流控MNF 传感器。微流控芯片不仅能够为微纳光纤提供微量样品，保护MNF 免受外界环境因素的干扰，而且丰富了MNF 的传感结构与传感机理，拓展了MNF 传感器的应用领域。

MNF 的制备方法和导波特性

作为微纳光波导，表面粗糙度和直径均匀度直接影响MNF 的传输损耗，因此，获得高质量的MNF 是制备高性能MNF 传感器的前提。目前，常用的制备方法有火焰加热法、电加热法。相比于光刻、电子束刻蚀、化学生长等方法，利用加热方法拉制的SiO2 MNF 的表面粗糙度和直径均匀度在所有微纳光波导中是最好的，MNF 的传输损耗在所有同等直径或宽度的光波导中是最低的。

优化拉锥条件，使拉锥过渡区满足绝热条件，MNF 的透过率可达到99.7％。虽然研究人员在提高MNF 透过率方面取得了很大进步，但如何精确控制MNF 的直径仍然是MNF 制备所面临的一个挑战。

2017年，浙江大学王芳，徐翼等研究人员采用高准确性、高精度实时控制MNF 直径的技术研究了一种精确控制SiO2 MNF 直径的方法。在此装置中激光光源为一个波长为785 nm的激光器；氢气的流量由一个气体质量流量控制器精确控制，保证氢气火焰在拉锥过程中的稳定性；光纤的拉伸速度和拉伸距离由自动控制的一维位移台决定；光纤的透过率由一个功率计实时监测。

这种通过监控MNF 模式变化实现高精度制备MNF 的方法不仅适用于SiO2 MNF 的制备，还可扩展至聚合物MNF 的制备。因此，这种直径可控的MNF 制备方法对于实现MNF 的大规模生产和MNF 传感器的实际应用至关重要。

*高准确性、高精度实时控制MNF 直径的方法.

微纳光纤传感器的分类

随着光子学和微流控技术的融合，光流控技术已经成为 一个新兴的、多学科交叉的研究领域，特别在生化传感方面展示出独特优势。近年来，研究人员在光流控MNF 传感器方面进行了广泛的研究，根据传感机理将光流控MNF 传感器分为强度调制型和相位调制型两种。

*MNF 传输光的光场空间分布.波长为633 nm的传输光在直径分别为(a)800 nm,(b)400 nm,(c)200 nm的MNF 沿轴向的矢量三维分布图;直径分别为(d)800 nm,(e)400 nm,(f)300 nm,(g)200 nm的MNF 二维模场分布图

强度调制型光流控MNF 传感器

当MNF 与微流控芯片集成时，MNF 外围的倏逝场与微流控芯片中的溶液相互作用，溶液的折射率、浓度、分子吸收、荧光以及纳米颗粒散射等因素都能引起MNF 输出光强变化。

因此，测量特定波长强度的变化或透射光谱的变化是获取溶液中分子浓度、纳米颗粒尺寸以及溶液折射率等信息的有效途径。这种强度调制型传感器具有结构简单、加工方便的优点，但是这类传感器的分辨率在很大程度上取决于光源和探测器的稳定性。

*MNF 传感示意图

基于荧光探测的光流控MNF 传感器

MNF 的倏逝场不仅可以激发荧光，还能高效收集荧光，利用光流控MNF 传感器实现了溶液中的微量荧光物质的传感波长的激光耦合进MNF 后可高效激发微流控通道中溶液的荧光，同时荧光被MNF 收集，在滤除激发光和杂散光后，实现了高灵敏度的荧光检测。

不同浓度的罗丹明6G和量子点标记的链霉亲和素溶液的荧光光谱如图(b)和(c)所示。荧光强度随浓度的增加而增强，检出限分别为100 pmol/L和10 pmol/L。由于采用缺口型试样管阵列为MNF 提供微量样品，分析通量可达每小时60个样品。

*微流控芯片中超灵敏的MNF 荧光检测.(a)双锥形MNF 荧光传感系统示意图;(b)不同浓度的R6G的荧光光谱;(c)不同浓度的QD标记的链霉亲和素荧光光谱.

与传统的传感器相比，光流控MNF 传感器具有成本低、操作灵活、MNF 表面易于功能化的特点，不仅适用于静态条件下单分子级的分子间相互作用的研究，而且还适用于连续流动的样品，通过散射、吸收等参数的测量，可开展单个纳米颗粒的研究。

相位调制型光流控MNF 传感器

相位调制型光流控MNF 传感器多基于MNF 光栅、MNF 谐振腔和MNF 干涉仪等微结构，这些结构对特定波长具有调制作用，在输出光谱中会产生一系列的特征峰，这些特征峰对微流控通道中溶液的折射率和浓度等参数非常敏感，当溶液的理化性质发生变化时，通过探测输出光谱中特征峰的移动实现对样品的传感。与强度型MNF 传感器相比，相位调制型的传感器具有更高的稳定性。

基于光栅的光流控MNF 传感器

标准光纤光栅已广泛用于温度、压力、微位移等参数的传感。与标准光纤光栅类似，MNF 也可以通过沿轴向周期性地调制光纤纤芯的等效折射率而形成衍射光栅。而且具有结构尺寸小、灵敏度高、易于与微流控芯片集成等特点，对溶液的折射率、浓度和温度的变化非常敏感。

*光流控MNF 光栅结构示意图.(a)传感器示意图;(b)功能化的 MNF 光栅探头示意图; (c)等效的光流控MNF 光栅平面结构图.

基于回音壁模式的光流控MNF 传感器

2018年，美国光学协会的Brambilla团队在国际期刊Optical Society of America上发表题为“A microfluidic refractometric sensor based on gratings in optical fibre microwires”的研究文章，将MNF 绕制成空心管多圈型谐振腔，如图(i)所示，并用其测量流过管道中的液体的折射率，灵敏度可达40 nm/RIU。

回音壁模式的光学微腔因其品质因子高、模式体积小，在高灵敏度生化传感器领域中有着广泛应用。MNF 可灵活地组装成如图(a)~(h)所示的圈形、结形、环形或多圈形谐振腔。

*MNF 谐振腔结构示意图.(a)(e)圈形;(b)(f)结形;(c)(g)环形;(d)(h)多圈形;(i)MNF 多圈形谐振腔折射率传感器横截面示意图;(j)LCORR传感器横截面示意图.

原文链接：

https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ856535a91c09d456/Abstract

未来展望

迄今为止，国内外在光流控MNF 传感方向取得了一系列进展，为开发面向化学、生物、医学等领域的高灵敏度、快速响应、低样品消耗、小尺寸传感器提供了一个新平台，同时光流控MNF 传感器未来的发展还存在诸多机遇和挑战。

从实用化的角度来看，如何可控地大规模制备MNF ，如何实现MNF 与微流控芯片的自动化集成，如何提高传感器的稳健性是亟需解决的关键问题。随着人工智能的迅速发展,利用深度学习方法，结合光纤模式识别与直径控制理论，有望解决MNF 的大规模制备的问题。

基于MNF 的导波特性、机械特性和小质量特性，深入研究MNF 在单细胞、单分子和单颗粒传感等方面的应用，将是未来的重要发展趋势之一。此外MNF 在光动量、冷原子和生物医疗等研究领域亦有广阔的应用前景。

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