端面组分调控的结构复合玻璃光纤

端面组分调控的结构复合玻璃光纤是将功能材料集成、定型和功能化到光纤端面上而产生的一类复合玻璃光纤。这种光纤端面横截面小、纵横比大，为光信号接收或耦合提供了独特的微纳器件集成平台［1］。与传统光学系统相比，端面集成光学系统具有小型化、轻量化、成本更为低廉、稳定性高、易操作等特点。

端面组分调控结构复合玻璃光纤制备技术主要分两步，首先在光纤端面上制备出特定的微纳结构，形成结构复合玻璃光纤，然后再集成功能材料到端面微纳结构上。目前，有多种技术可用于光纤端面制备微纳结构，如研磨抛光、化学蚀刻、聚焦离子束加工、飞秒激光加工、光刻、光聚合及纳米转移技术等［2］。一般来说，研磨抛光以及化学蚀刻是低成本的制备方法，而聚焦离子束、飞秒激光加工和光刻是昂贵、复杂但精确度更高的方法，可在光纤端面设计和制备复杂精细的微纳结构，而且具有高度的可重复性。下面对各种微纳结构加工技术进行简要描述。

（1）研磨抛光是一种简单、低成本制造方法，适用于批量加工［3］。在加工过程中，陶瓷套圈支架中光纤套管由一电机带动旋转，研磨盘由另一电机带动旋转。当需要在光纤端面加工锥角时，光纤套管的轴与研磨盘形成一定角度。同时，采用纳米级平移控制台操控光纤，以实现光纤端面与研磨盘的稳定接触。当结构基本成型后，将研磨盘更换成抛光盘，以获得光滑的光纤端面。该技术既可以制备高质量的平端面，也可以制备带锥角的光纤尖端或微米级曲率半径的光纤端面，它们能很好地保持波导的传播特性。

（2）化学蚀刻是另一种低成本制造方法，具有批量加工能力，已被广泛用于制备扫描近场光学显微尖端。第一个获得专利的化学蚀刻方法是特纳（Turner）法［4］。该方法将剥掉涂覆层的光纤浸入质量分数为40%的氢氟酸溶液中，然后附加薄的有机覆盖层，控制在光纤表面形成的弯月面高度，防止危险蒸气从蚀刻容器中逸出。该方法的最大问题是会导致光纤端面粗糙。为解决特纳法造成光纤端面粗糙的问题，研究人员提出了管内蚀刻（tube－etching）法［5］。这种方法是将带有塑料涂层的光纤直接浸入含有溶剂覆盖层的氢氟酸溶液中，塑料涂层在氢氟酸溶液中具有化学稳定性，有助于光纤端面更光滑。与特纳法不同的是，管内蚀刻法对环境参数的依赖性较小。后来，从特纳法和管内蚀刻法中又衍生出了其它几种化学蚀刻方法。例如，将电弧放电与化学蚀刻结合起来，可以获得直径逐渐减小（几微米）的光纤尖端，从而缩短了加工时间［6］。此外，研究人员还提出了一种动态化学蚀刻方法，通过控制光纤与氢氟酸液面相对位置，可实现角度在1°30°之间可调且表面光滑的光纤尖端［7］。随着制备技术的发展，可以精确控制加工参数，获得复杂结构锥形端面，如轴棱锥透镜等。即使在与目标物发生相互作用后，轴棱锥透镜仍能够在较远的范围内保持聚焦特性［8］。

（3）聚焦离子束（FIB）加工能够达到纳米级的分辨率，可制作超小型光纤器件［9］。在FIB加工中，镓或铟被激励电离，加速形成纳米直径的聚焦离子束，如图4－1所示。FIB制备的光纤端面光滑，是目前最适合对亚波长微纳光纤进行图案化和/或功能化的方法之一。然而，该技术也有一些缺点，在加工高深宽比孔形成倾斜侧壁时，或对基底掺杂离子有副作用时，需要精细设计以确保良好的加工性能［10］。

图4－1　两种聚焦离子束加工光纤端面的过程示意图［10］

（a）光纤端面沉积金膜（以避免静电电荷）；（b）加工金膜；（c）获得的等离子纳米结构SEM照片；（d）加工光纤端面和覆盖沉积；（e）获得的“双光子晶体”纳米结构SEM照片

（4）飞秒激光加工也是一种高分辨微加工方法，比FIB加工更快、更便宜［11］。当飞秒激光脉冲聚焦到光纤表面时会发生雪崩电离过程，由于非线性和隧穿现象而产生能量吸收，当能量吸收达到一个特定阈值时，材料损坏导致烧蚀。因此，可利用这种效应在光纤端面加工具有特定形状和尺寸的微纳结构［12］。该技术的特点是低热损伤，适用于高空间分辨率要求的精细加工。

（5）光刻是通过光子、电子或施加机械压力在光纤端面形成特定微纳结构［13］。光刻过程中，需要在光纤端面沉积一层化学物质作为掩模板，掩模板的构形决定了在光纤端面上创建的几何结构。光刻技术分为干涉光刻、电子束光刻及纳米压印光刻等。干涉光刻适合在三个维度上制造周期性结构［14］。聚焦激光束在光纤端面干涉形成周期图案，因此，可以获得规则排列的几何结构。然而，干涉光刻受光波衍射极限限制，影响空间分辨率。电子束光刻中［10］，光纤端面上的抗蚀剂经过电子束辐照发生化学变化，从而在光纤端面刻印下几何结构，如图4－2所示。电子束光刻需要在抗蚀剂上沉积导电聚合物［15］或金属［16］，以克服玻璃光纤导电性差的问题。纳米压印光刻［17］是一种机械图案化方法。纳米压印模板通常需要使用其它技术制造，如电子束光刻［18］。与干涉光刻和电子束光刻相比，纳米压印光刻的成本低。光刻技术特别适合于高分辨光纤端面微纳结构制作。

图4－2　电子束光刻加工光纤端面的过程示意图［10］

（a）通过旋涂将抗蚀剂覆盖沉积在光纤端面；（b）利用电子束光刻对抗蚀剂纳米图形化；（c）图案化的纳米结构；（d）金属材料沉积；（e）获得的光纤端面

（6）光聚合技术是一种低成本和快速加工光纤端面的方法，具有良好的再现性。通过自由基引导光聚合，可在光纤端面获得聚合物微纳结构［19］。该技术主要有两个步骤：首先，将光敏液体沉积在光纤端面；然后，对光纤端面进行辐照，通过自引导效应在光纤端面组装结构，该结构自动与光纤纤芯对齐。双光子聚合是所有光聚合技术中最常用的。在双光子聚合中，近红外飞秒激光器的脉冲序列聚焦在光敏抗蚀剂上，触发图案化结构的聚合，获得特定的聚合物微纳结构。然而，由于双光子聚合需要飞秒激光，因此，与其它聚合方法相比，双光子聚合变得更加昂贵。

（7）纳米转移技术。与直接在光纤端面制备微纳结构然后再沉积功能材料不同，纳米转移是一种间接技术，是将在平面基板上预先制备的具有特定微纳结构的功能材料转移到光纤端面上［10］。根据转移过程，该技术可分为“释放绑定”和“粘合分离”两个过程。在“释放绑定”中，平面基板上制造的纳米结构通过微定位仪或浸泡在水中转移到光纤端面，再在光纤端面被绑定。2009年，Smythe等使用硫烯薄膜将金属纳米结构从图案化衬底上释放，接着将附着有金属纳米结构的硫烯薄膜转移到光纤端面上，最后移除硫烯薄膜，成功获得金属纳米结构集成的光纤端面［20］。此方法仅适用于那些不与基板形成共价键的材料。为了克服这一局限性，同组研究人员提出了另一种方法［21］。结合纳米切割技术，用超薄切片机制作含有金属纳米结构阵列的聚合物薄膜，再将这种薄膜漂浮在水浴槽上，通过浸没使薄膜转移到光纤端面，随后用空气等离子体刻蚀掉载体薄膜，在光纤端面留下独立的纳米特征，如图4－3所示。在“粘合分离”中，涂有粘合剂的光纤端面与包含金属纳米结构的平面基板接触粘合，然后再将二者分离，从而将纳米结构转移到光纤端面上。2014年，Jia等首先将环氧树脂粘合剂涂覆在光纤端面，将金属沉积在具有纳米结构的硅基板上，再将光纤端面的环氧树脂粘合剂加热到具有黏性后，与硅基板接触粘合，随后将基板与光纤端面分离，从而将基板上金属纳米结构转移到光纤端面，如图4－4所示［22］。

图4－3　“释放绑定”纳米转移技术加工光纤端面过程示意图

（a）含有金属纳米结构阵列的环氧树脂板的制备；（b）金属纳米结构阵列向光纤端面的转移［21］

图4－4　“粘合分离”纳米转移技术加工光纤端面过程示意图［22］

（a）在具有纳米结构的硅基板上沉积金属使其具有金属纳米结构；（b）在光纤端面沉积环氧树脂粘合剂并预热以使其具有黏性；（c）具有金属纳米结构的硅基板与具有黏性的光纤端面粘合；（d）硅基板与光纤端面分离以将金属纳米结构转移至光纤端面

基于上述制备技术，可获得各种端面组分调控的结构复合玻璃光纤。根据端面的类型，这种复合玻璃光纤可分为平端面组分调控复合玻璃光纤和尖端面组分调控复合玻璃光纤。

1.平端面组分调控复合玻璃光纤

几何结构最简单的光纤端面是平端面，其与光纤轴正交，如图4－5所示。出射光以圆形高斯场分布［23］。尽管平端面的功能化方法多种多样，但平面几何结构决定了其出射的是衍射光束。在大多数情况下，传感领域用的光纤是通过在这种平端面上沉积纳米颗粒。金属是一种具有良好的导电、导热及磁性材料，在电子科学和现代光学领域占据重要地位。当光入射到金属与电介质界面时，金属表面自由电子与光子相互作用发生集体振荡，如果电子振荡频率与入射光频率一致就会产生共振，形成一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，即表面等离激元共振。将金属材料集成到玻璃光纤端面，通过激发表面等离激元共振，可以有效增强端面处的光学信号。平端面组分调控复合玻璃光纤的研究主要集中在将金属材料以特定纳米结构与光纤平端面集成。

图4－5　用金纳米粒子（Au NPs）功能化的平端面

（a）示意图；（b）扫描电镜图像［23］

在表面等离激元共振中，电磁场的典型衰减长度约为100 nm。光纤端面外界环境的每一次改变都会导致共振波长的偏移，进而转化为反射光强度信号变化。因此可成为研究靶分子与生物分子相互作用的标准无标签工具［24］。当金属纳米结构的尺寸远小于入射光波长时，入射光电场分量使得金属纳米结构上电荷发生极化，并随着入射电场的变化发生集体振荡，形成局域表面等离激元共振（localized surface plasmon resonances，LSPRs）。一般来说，LSPRs表现为金属纳米粒子对光强烈的散射和吸收，即消光特性。金属纳米结构的消光特性与外界环境介电常数密切相关，通过观察相应消光光谱可反推被测物质的类别及浓度等信息［25］。与表面等离激元共振不同，LSPRs是非传播模式，其特征是共振波长取决于物体的大小和形状以及成分和环境的介电常数，因此它非常适合检测局部环境变化。由于在LSPRs中，诱导的等离激元在纳米结构中局部振荡，而不是沿着金属－玻璃界面振荡，因此在LSPRs中电磁场衰减长度约为10 nm。LSPRs较短的场衰减长度降低了对溶液折射率波动干扰的敏感性，同时提高了对表面折射率变化的敏感性。利用金属纳米结构中LSPRs的强电磁场增强，研究人员［26，27］在光纤端面研制了表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）活性表面。它可广泛应用于光纤传感领域。通常，对于粗糙的金属薄膜，增强因子为103105，而对于纳米颗粒聚集体，由于纳米颗粒之间的间隙电场增强，可实现107109的增强。

最早对光纤端面进行组分调控实现SERS活性表面的金属材料是银。1991年，Mullen等［28］利用研磨抛光技术对光纤端面进行改性，然后通过热蒸发沉积银膜，首次在光纤端面获得SERS活性表面，如图4－6a所示。利用薄膜沉积技术在光滑的光纤端面生长银纳米岛和纳米棒，也可以获得SERS活性表面。1998年，Viets等［29］对光纤端面喷砂打磨处理，通过热蒸发在光纤端面生长了银纳米岛薄膜，沉积厚度为5 nm，如图4－6b所示。利用斜角沉积技术，可产生大长径比的银纳米棒薄膜，如图4－6c所示［30］。通过在光纤端面上沉积微球和微粒也可获得类似的SERS活性表面。如，Kostrewa等采用喷涂法在光纤端面沉积金刚石颗粒［31］，或Stokes等［32］采用浸渍法在直径为600μm的光纤端面上沉积氧化铝纳米颗粒，随后再沉积一层银膜，制得SERS活性表面，如图4－6d所示。另一种方式是直接将银纳米颗粒沉积在光纤端面以获得SERS活性表面，如图4－6e所示［33］。2008年，Zheng等利用光诱导生长和沉积方法，将银纳米颗粒集成到光纤端面，获得SERS活性表面［34］。(www.xing528.com)

图4－6　集成纳米金属膜的SERS活性表面

（a）研磨抛光后沉积形成的银膜［28］；（b）薄膜沉积形成的金属纳米岛［29］；（c）斜角沉积形成的金属纳米棒［30］；（d）胶体模板的自组装［32］；（e）金属纳米颗粒涂层［33］

尽管可以通过低成本制备技术在光纤端面沉积银膜实现SERS活性表面，但是任意形状的银纳米颗粒通常不能最大化SERS信号，这是因为纳米颗粒辐射增强电场的强度和方向性高度依赖纳米颗粒尺寸和形状。光与纳米颗粒的非最佳耦合会导致损耗和无辐射表面等离激元激发以及SERS信号的无效散射。光刻技术可定制特定形状和间距的纳米结构的SERS基底。因此，Kostovski等将纳米压印光刻技术用于聚合物纳米结构光纤端面，获得银调控的SERS活性表面［35］。2012年，Yang等利用干涉光刻技术，提出了一种集成银矩形纳米阵列的光纤端面，纳米柱阵列提供了1×107的SERS信号增强［36］。

除了银调控的SERS活性表面，研究人员将金纳米结构集成到光纤端面，同样获得了SERS活性表面。金具有高的表面等离激元激励性和生物相容性，并且抗氧化。研究人员基于纳米转移技术提供了一种在光纤端面制造有序金纳米结构的方法，该方法可以调节光纤端面金纳米结构的光学响应，并调控产生增强拉曼信号的强度。2009年，Smythe等基于纳米转移技术，首先利用电子束光刻在硅基板上制造金纳米天线阵列，随后从硅基板上剥离再转移到光纤端面，获得金调控的SERS活性表面［37］。通过设计金纳米天线的大小和它们之间的间距，使光纤端面金纳米结构的SERS增强因子值在2.6×1055.1×105之间。此外，2013年，基于聚焦离子束加工技术，Andrade等直接在单模光纤端面上制备了圆形和蝴蝶结形状的金纳米孔阵列［38］。结果表明，SERS强度与纳米孔的大小和形状、阵列的周期性以及金膜的厚度有关。蝴蝶结形纳米结构虽然与偏振有关，但由于结构尖端的电场增强最强，因此表现出比圆孔阵列更好的性能。

在光纤端面集成金纳米结构，不仅可获得SERS活性表面，还可直接利用其产生的LSPRs效应调控光信号。2011年，Lin等利用电子束光刻和反应离子刻蚀技术在光纤端面上制造了金纳米点阵列，阵列面积为40μm×40μm的正方形，周期性为400 nm，金纳米粒子的直径为190 nm、高度为55 nm，如图4－7所示［39］。他们观察到反射光谱的峰值比透射光谱的峰值蓝移了2.8 nm，将其用于LSPRs传感，显示出高灵敏度（195.72 nm/RIU），可检测体积折射率的变化和生物分子无标记传感。随后，他们利用电子束光刻和金属剥离工艺在光纤端面直接制造了金纳米盘阵列，发现基于金纳米阵列的LSPRs效应，能够无标记、灵敏地检测癌蛋白生物标志物游离前列腺特异性抗原［40］。通过类似的方法，Ricciardi等在光纤端面直接制造了支持工作波长1550 nm近红外LSPRs的金纳米柱阵列，金纳米柱阵列的几何参数设计为周期1μm，柱半径和厚度分别为200 nm和50 nm［41］。

图4－7　光纤端面金纳米点阵列的SEM照片［39］

（a）光纤端面轮廓；（b）光纤端面上的金纳米点阵列

此外，利用电子束光刻技术，Consales等在光纤端面制备了一种支持LSPRs的二维复合金属－介电材料纳米结构，如图4－8所示［1］。它是由一个200 nm厚的ZEP 520A电介质层组成，上面有正方形孔晶格，并在脊和凹槽上覆盖一层40 nm厚的金膜。晶格周期为900 nm，孔半径为225 nm，对应填充因子为0.25。相比于单独金纳米结构集成的光纤端面，这种二维复合金－介电材料纳米结构的Q因子提高了约6倍。随后，他们证明了在不影响光谱特性的情况下，光纤端面金－介电材料纳米结构区域可以减少到仅20μm×20μm［42］。2014年，Pisco等基于自组装技术，将规则有序的金－介质晶体成功地集成到光纤端面上，这种金属－介质界面支持LSPRs，折射率灵敏度约为2300 nm/RIU［43］。

图4－8　光纤端面集成的二维复合金属－介电材料［1］

（a）纳米结构示意图；（b）1/4晶格单元的三维视图

2.尖端组分调控复合玻璃光纤

尖端组分调控复合玻璃光纤，指在光纤尖端集成微纳结构和功能材料的功能器件，即光纤探针。它能够对光纤尖端区域光场进行调控，对光纤尖端外界环境参量进行感知。光纤纳米探针，特指最尖端尺寸仅为纳米量级的组成－结构一体化复合玻璃光纤。光纤纳米探针在高精度传感和痕量分析［44－47］、近场扫描成像［48，49］及光束操纵［19］等领域具有广泛的应用前景。光纤纳米探针中，组分调控和结构调控相辅相成：功能材料复合是核心，实现并提升器件的关键性能参数；锥区是结构，进行光场传输、激发和信号收集。相比于单一组分光纤制备形成的锥区结构，复合功能材料的光纤纳米探针具有显著优势。例如，金属材料能够将光纤模式转化为表面等离激元模式，将模场约束至衍射极限（约为λ2/4）以下，增强了近场的能量密度，实现超分辨成像及高灵敏感知。其它功能修饰材料能够将无法与光场直接作用的待探测参量转化为光学参量，从而实现传感功能。

在金属材料复合光纤探针中，金属能够以薄膜、颗粒、针尖和微孔等形态集成到光纤锥区上。Grunwald等最先提出了光纤探针传感器结构［44］。他们将多模光纤拉锥后，锥尖端直径为20μm，在光纤锥体侧面和端面镀了一层50 nm厚的金薄膜，在光纤中形成反光镜结构。通过控制锥体角度，入射光将在锥体端面激发表面等离激元共振。借助于表面等离激元的强场局域特性，该光纤探针能够对距离针尖微小区域内的环境折射率实现高灵敏传感，在折射率为1.301.38范围内传感精度为2×10－4。由于需要锥体端面实现反射镜功能，该原理的光纤探针尖端难以被进一步缩小。Lucotti等提出利用SERS技术实现高灵敏度传感，传感器的基本结构与反光镜原理的锥形光纤探针传感器类似，都是在光纤锥上镀上一层金属薄膜［45］。借助金属薄膜的SERS效应，该光纤探针能够有效收集和监测待测物产生的拉曼信号进行传感。Yuan等对基于表面等离激元共振的光纤探针进行了理论分析，如图4－9a所示，由于射线在尖端界面的入射角在较大区域内发生变化，尖端角增大可能导致共振波长增加和共振倾角展宽［46］。为了增加传感器灵敏度，Huang等指出金属薄膜可被替换成不同形状的金属纳米颗粒，如图4－9b所示，尤其是带有尖锐边缘的纳米结构，如纳米立方块等，进一步增大金属微结构的SERS效应［47］。

图4－9　光纤探针原理示意图

（a）基于表面等离子体共振效应的光纤探针［46］；（b）基于SERS效应的光纤探针［47］

金属纳米针尖和纳米微孔结构生长在光纤纳米探针上，在突破光学衍射极限的同时，极大地简化泵浦光聚焦光路、信号收集光路以及同步运动控制系统。Uebel等将金属纳米细丝复合进光纤中，并制备了尖端半径小于10 nm的金属针尖，如图4－10a所示［48］。其具体制备过程包括腐蚀、机械切割和熔接。首先，采用压力辅助熔体填充法将熔融态金填充到石英毛细管并热拉成标准尺寸的光纤，光纤外径125μm，纤芯金的直径1μm，采用化学蚀刻法进行腐蚀，将光纤浸泡在质量分数为40%的氢氟酸溶液中，将光纤外径减小到20μm。由于石英光纤和氢氟酸界面存在表面张力，导致“半月板”形成，从而形成了顶端慢、下端快的腐蚀梯度，最终形成了尖端；最后，将腐蚀后的光纤尖端再磨至锥形，更精确的可采用聚焦离子束加工。因为金是塑性材料，当对光纤进行切割时，纤芯金会经历一个塑性变形过程，形成一个尖锐的金属纳米探针。该光纤纳米探针能够直接与多模光纤进行熔接，实现样品表面倏逝波信号的收集与测试。该光纤纳米探针的金属锥区长度约为150 nm，金属锥底直径约为50 nm，光纤锥区约为1 cm，最佳工作波长为580 nm。通过调整纳米针尖的形状（金属锥区长度及金属锥底直径），最佳工作波长可以在500850 nm范围内调整。Mivelle等将纳米金属微孔集成至单模光纤锥尖，实现了光纤探针，如图4－10b所示［49］。其制备过程是：首先，将单模光纤拉制成光纤锥结构，锥区倾角为15°，锥区尖端直径1μm；其次，将整个光纤锥均匀地镀上一层100 nm厚的铝膜；最后，利用聚焦离子束技术在锥区尖端的铝膜刻蚀出一个领结形通孔，领结形通孔的宽度为310 nm，最窄部位的宽度为45 nm，领结斜边角度为45°。领结形通孔的最佳工作波长为1550 nm，并且对不同线偏振光具有不同的响应，偏振消光比约为1∶31。由于直接与单模光纤相连，该光纤纳米探针能够实现表面等离激元的高效激发与收集。利用该金属探针，实现了突破光学衍射极限的近场扫描成像，成像分辨率为λ/12。

图4－10　不同结构的金属光纤探针

（a）金属针尖的光纤纳米探针［48］；（b）领结形金属通孔的光纤探针［49］

光聚合材料、化学感知材料和生物感知材料等功能材料也可集成到光纤探针中。光聚合材料能够用于制备不同形状的光纤探针，充当微纳量级的光纤透镜、光纤模式转换器等，实现光斑形状控制。例如，Hocine课题组利用光聚合技术，在光纤端面生长横截面与光纤中传输横模模场分布一致的光纤探针，探针直径通常略小于纤芯直径（微米量级），如图4－11所示［19］。当光纤中注入基模时，获得的光纤探针为单锥形，当光纤注入LP11和LP21模式时，获得的光纤探针分别为并排双锥形和并排四锥形。利用特殊形状的光纤探针，能够将空间中基模高斯光束转化为光纤中相应模式。

图4－11　光聚合材料的光纤探针［19］

（a）光纤探针；（b）单锥形；（c）双锥形；（d）四锥形；（e）空间中的基模高斯光束通过四锥形光纤纳米探针转化为光纤中的LP21模式

在光纤探针中集成化学感知材料，通常用于检测无法与光场直接作用的待探测参量，实现传感功能。1992年，Tan等首先利用光纤纳米探针实现小尺寸、低样品需求、高灵敏度和稳定性的pH传感实验［50］。他们将石英光纤熔融拉锥至0.1μm直径的尖端，镀上铝薄膜，通过光聚合的办法在光纤尖端生长N－FLAC染料分子。当注入442 nm激光后，光纤纳米探针会产生490610 nm的荧光。根据信号光强度可测出待测溶液的pH值，探测范围为49。类似地，Pospisilova等将染料分子Fluka No.14560通过溶胶－凝胶法直接生长在石英光纤锥的尖端（直径6μm）［51］。该染料分子在472 nm激光的激发下，会产生530 nm的荧光，并且荧光强度随pH值增加而增加，能够实现pH值探测。Chu等通过光聚合法在石英玻璃单模光纤端面生长高分子尖端（锥区长度32μm、底座直径11μm、尖端直径8μm），进而利用浸涂法裹覆一层对爆炸物分子具有荧光淬灭效应的高分子材料MEH－PPV，最终实现二硝基苯（DNB）的高灵敏监测［52］。该光纤探针的探测浓度范围为630 mol/L，响应时间小于1 min。

在生物感知材料光纤探针方面，Vo－Dinh等首先实现了单细胞中四醇苯并芘（benzopyrene tetrol，BPT）指标（该指标能够评估细胞中DNA分子的损伤程度）的测量［53］。该方法的具体步骤是：①利用火焰拉伸法制备尖端直径为50 nm的光纤锥。②对光纤锥进行处理，包括用缩水甘油丙氧基三甲氧基硅烷溶液浸泡（90℃，3 h）后，用pH＜3的盐酸溶液再次浸泡，经无水乙醇清洗后干燥12 h；此时锥区侧面已被蒸镀一层厚度100300 nm的银膜，可降低光场侧向泄漏损耗。③裸露的光纤锥区尖端在100 mg/mL的1，1'－羰基二咪唑溶液浸泡20 min后，再转移至1.2 mg/mL的BPT抗体溶液中浸泡4 d（4℃），使得光纤锥尖附着上BPT抗体。该方法生长的BPT抗体活性超过95%。将该生物感知材料光纤纳米探针插入单个小鼠肝细胞中，成功测量了BPT浓度，测量精度为（9.6±0.2）×10－11 mol/L，响应时间为5 min。类似地，该课题组的Cullum等实现了人类乳腺癌单细胞中的BPT指标测量，测量精度为（0.64±0.17）×10－11 mol/L［54］；Kasili等实现人类乳腺癌单细胞中的苯并［a］芘（benzo［a］pyrene，BaP）指标（代谢过程与DNA共价结合的中间产物，癌症检测指标之一）测量，测量精度为3.61×10－10 mol/L［55］。