📘 OE 文献 031004 · 水质与空气质量监测的光纤传感器综述

这一篇在干嘛？

这是一篇环境健康方向的光纤传感综述，系统覆盖水质检测与空气质量监测两大场景。正文先讲清五类传感原理——光吸收、表面等离子体共振（SPR）、拉曼（含 SERS）、荧光、干涉——再用具体工作展示它们如何检测铅、汞、镉、大肠杆菌、微囊藻毒素以及氮氧化物、CO、苯、丙酮等目标物。每个方向都给出了灵敏度、检测范围与检出限（LOD）等可对比的性能数据。初学者、想快速了解「功能材料 + 光纤结构」设计范式的研究者，以及需要选型参考的工程人员都很适合阅读。

光纤传感器用于水质与空气质量监测（一）：引言与基本原理

1 引言

光纤传感技术的基本思路是：利用光在光纤中传播时的特性变化，来感知外界物理量、化学量或生物量的变化。一套完整的光纤传感器通常由光源、入射光纤、光调制器、光探测器和解调器组成。它的工作过程可以拆成三步来理解：第一步，光源发出的光经入射光纤传输到调制区；第二步，待测参数在调制区内与光发生相互作用，使光的某些性质发生改变——这些性质包括强度、波长、频率、相位和偏振态；第三步，携带测量信息的光经出射光纤传到光探测器和解调器，从中解算出待测参数。光纤传感技术的突出优点是灵敏度高、精度好、耐腐蚀、可远距离测量、抗电磁干扰，因此已被广泛应用于化工、航空、航天、地震监测、医疗和环境健康等领域。

环境健康主要涉及对污染物和有害物质的监测与评估，是环境保护和公共卫生的重要组成部分。传统评估手段，如紫外—可见（UV–vis）分光光度法、红外光谱法和核磁共振，往往离不开人工采样和实验室分析，流程繁琐、耗时费力。相比之下，光纤传感技术可以对多种环境参数进行实时、远距离的在线监测，在速度、精度和成本上都更具优势。

图 1 光纤传感技术在环境健康监测中的应用总览

如图 1 所示，光纤传感技术在空气质量和水质监测两大方向上都有广泛的应用。在空气侧，对挥发性有机物（VOC）、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$、$\mathrm{N}{\mathrm{O}}_{\mathrm{x}}$、$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ 等有害物质的实时监测，能提供更准确的空气质量信息，为保护和改善措施提供依据。在水侧，对重金属、溶解氧、pH 值、有机/无机污染物、微生物等指标的在线监测，对保障水质安全同样意义重大。

本综述系统梳理了光纤传感技术在环境健康检测方面的最新进展：第 2 节介绍用于环境健康检测的光纤传感器（OFS）的分类与原理；第 3 节综述其在水质检测与空气质量监测中的应用及研究进展；第 4 节总结光纤传感技术在该领域的优势与挑战。

2 光纤传感器的分类与基本原理

按照传感结构和光学原理的不同，光纤传感器有多种分类方式。本综述重点介绍其中五类：基于光吸收的传感器、表面等离子体共振（SPR）传感器、拉曼传感器、荧光传感器和光干涉传感器。下面逐一讲解它们各自”看世界”的方式。

2.1 基于光吸收的传感器

吸收式光纤传感的原理很直观：某种物质会吸收特定波长的光，吸收得越多，说明这种物质的浓度越高。当一束特定波长的光穿过样品时，样品中的分子或原子可能吸收光能——被吸收的光子把分子或原子的电子激发到更高的能级。被吸收的光子数目与目标物质的浓度成正比。因此，只要比较光源发出的初始光强 $I_0$ 与从样品透射回来的光强 $I$，就能算出样品对该波长光的吸收程度。这就是著名的朗伯—比尔（Lambert–Beer）定律所描述的关系：

$$A=\lg \frac{I_0}{I}=\epsilon cL\text{\hspace{1em}(1)}$$

其中 $A$ 为吸光度，$\epsilon$ 为摩尔吸收系数，$c$ 为目标物质浓度，$L$ 为光在样品中经过的路径长度。把不同波长下的吸光度画成”光谱强度—波长”曲线，就得到吸收光谱。将实测吸收光谱与预先建立的标准谱对比，既可以定性判断物质种类，也可以定量分析浓度、组分等性质。这一原理在化学、生物和环境领域被广泛用于检测样品中的化学物质或其他特定目标物。

图 2(a) 给出了一个典型的吸收式光纤传感实例：在锥形光纤表面镀上钯纳米颗粒（Pd NPs）用于检测氢气（${\mathrm{H}}_2$）。当锥形区域暴露在 ${\mathrm{H}}_2$ 气体中时，${\mathrm{H}}_2$ 分子向镀钯表面迁移并与 Pd 原子相互作用；气体分子在约一个分子半径处势能达到最低，从而被吸附在光纤锥区表面。随后，被吸附的 ${\mathrm{H}}_2$ 分子解离为氢原子，并扩散进入金属结构内部，最终表现为 Pd 结构对氢的吸收。整个过程中光场的衰减波（evanescent wave，即从纤芯伸出、随距离迅速衰减的”尾巴”光场）在反应区与 ${\mathrm{H}}_2$–Pd 相互作用，使输出光强发生变化，据此即可反推氢气浓度。

图 2(a) 基于光吸收的光纤传感原理：锥形光纤镀 Pd 纳米颗粒检测 ${\mathrm{H}}_2$

2.2 表面等离子体共振（SPR）传感器

SPR 光纤传感是一种高灵敏度、可实时测量的生化传感技术。它的核心是发生在金属—介质界面上的一种特殊耦合现象：界面处的光与金属表面自由运动的电子（即等离子体）发生耦合。用一个简单的实验图景来理解：改变光的入射角并观察反射光强的变化，当入射角恰好等于金属表面的等离子体共振角时，反射光会发生显著改变，这个角度被称为共振角。

共振角为什么能用来传感？关键在于折射率（RI）。当样品中的目标分子（如蛋白质、DNA 或化学分子）与固定在金属膜表面的生物分子（如抗体、寡核苷酸或亲和配体）发生特异性结合时，样品表面的折射率会随之改变，进而改变光跨越金属—介质界面的传播条件，导致共振角（或共振波长）发生移动。测出这个移动量，就知道表面上发生了多少分子结合。因此，SPR 技术可以实时监测样品表面的分子相互作用、吸附与脱附等过程，在生物传感、医学诊断和食品检测中应用广泛。

从结构上看，可以把光纤圆柱面逐点展开来解释 SPR 现象，如图 2(b) 所示，整体结构分为三层：基底层、本征层和介质层。基底层可以是商用光纤（如多模光纤 MMF、光子晶体光纤 PCF、空芯光纤），也可以是定制光纤（如悬芯光纤）、光纤布拉格光栅（FBG）等。本征层是具有高反射率、低吸收率的单金属膜或双金属膜（如 Au、Ag、Cu、Al）。介质层就是待测物（分析物）所在层。图 2(b) 中的谱图还提示了另一种常用的读出方式：共振波长 ${\lambda }_{\mathrm{res}}$ 会随外界折射率从 $n_{s1}$ 变为 $n_{s2}$ 而移动 $\delta {\lambda }_{\mathrm{res}}$，通过跟踪共振波长（或透射谱谷底位置）的变化即可完成定量检测。

图 2(b-i) SPR 传感原理：光在金属层界面激发表面等离子体激元（SPPs）

图 2(b-ii) SPR 透射谱：共振波长随折射率 $n_{s1}\to n_{s2}$ 产生偏移

2.3 拉曼传感器

拉曼光谱源于分子的振动，能够提供丰富的分子信息，而且不怕水环境的干扰，因此被誉为”指纹谱”。其工作流程是：激光光源经光纤引导照射样品，系统收集散射光信号并获得拉曼散射谱——这张谱里蕴藏着样品的化学组成、分子结构和官能团等宝贵的化学信息。将实测谱与数据库中存储的标准谱对比，就能有效识别目标样品中的化学物质；由于拉曼散射谱的强度与样品中目标分子的浓度直接相关，还可以据此实现精确的定量分析。光纤拉曼散射传感器在化学分析、生物医药、环境监测等领域应用广泛。

普通拉曼信号非常微弱，如果把纳米结构金属的强大增强效应结合起来，就能制造出兼具高特异性和高灵敏度的表面增强拉曼散射（SERS）传感器，实现对样品中化学信息的非接触、实时采集。如图 2(c) 所示，一款双模光纤 SERS 传感器通过”拉锥 + 半镀膜”两步制成：光纤尖端表面只有一半镀了 Ag 膜，镀膜的那半面负责拉曼信号的增强与探测（图中以罗丹明 6G 分子为探测对象），未镀膜的半面则保留荧光探测能力，一台传感器兼有两种光学检测模式。需要说明的是，SERS 本质上是一种近场现象，对分子间距离、热点（hot spot，纳米结构间隙中的电磁场增强区域）几何形状以及纳米结构耦合效率等因素极为敏感，因此信号强度的增强幅度可能跨越多个数量级。

图 2(c) 双模光纤 SERS 传感器：Ag 膜半镀锥面增强拉曼信号

2.4 荧光传感器

光纤荧光传感利用荧光现象实现传感：在光纤中引入荧光探针或荧光物质，当激发光照射探针时探针发出荧光，目标分子的存在会改变荧光信号（如荧光强度），据此可以检测目标分子并获取浓度、pH 值等信息。典型的光纤荧光传感器结构是：光纤一端接光源，用于激发荧光物质；另一端接荧光探测器，用于测量荧光信号强度。这种传感技术在生物医药、环境监测、食品安全等领域应用广泛。

两个实例可以说明这类传感器能做到什么水平。其一是碱性环境 pH 测量。Tariq 等研制了一种基于 pH 敏感分子荧光探针 Naphth-AlkyneOMe 的光极（optode）：探针分子被封装在交联的聚乙烯醇—戊二醛（GA）基质中，制成理化性质和光物理性质明确的敏感薄膜，平均厚度 150 μm，对 pH 波动表现出快速、可逆的响应。在低 pH 水泥浆初期水化阶段进行的实测证明了这种光极对真实胶凝材料的适用性，测量精度达 0.1 pH 单位，响应时间约 100 s。

其二是基于智能手机的光纤荧光传感器（SOFFS），由 Liu 等设计，如图 2(d) 所示。系统由四部分组成：激发荧光信号的半导体激光器、修饰了量子点用于检测 $\mathrm{H}{\mathrm{g}}^{2+}$ 的光纤探针、加装滤光片用于采集荧光图像的智能手机，以及连接光纤探针、激光器与手机的光纤耦合器。得益于优化后的锥形光纤探针表面的衰减波，SOFFS 实现了 1 nM 的超低检测限和 1 至 1000 nM 的宽检测范围；单次 $\mathrm{H}{\mathrm{g}}^{2+}$ 检测（包括更换光纤探针、记录荧光图像和数据分析）只需 3 分钟。

图 2(d) 基于智能手机的光纤荧光传感器（SOFFS）：量子点探针检测 $\mathrm{H}{\mathrm{g}}^{2+}$

2.5 干涉型传感器

光纤干涉传感器是基于光的干涉原理的前沿传感技术，具有高灵敏度、实时测量和远程传输等优点，广泛应用于工业、航空航天、医疗和环境监测等领域。它的基本思想是”对比”：让一根传感臂的光纤与待测物理量相互作用，另一根参考臂的光纤保持不受待测量影响。当光通过光纤的传感区时，若传感光纤因待测物理量（如压力、温度或位移）改变了光纤长度或折射率，其光程就会随之变化，传感臂与参考臂中光波的相位差也随之改变。两束光汇合进入干涉仪后，干涉仪精确测出这个相位差；由于相位差的变化直接对应传感光纤内光程长的变化，进而对应待测物理量的大小，因此通过分析干涉信号的变化（通常采用光解调方式提取信息），就能准确计算待测量的数值。

一个代表性实例是 Yan 等研制的光纤法布里—珀罗（F–P）传感器，用于检测多种金属离子，如图 2(e) 所示。传统做法是把单模光纤（SMF）插入陶瓷管，陶瓷管端面涂环氧树脂（ER）用于反射光，从而构成 F–P 干涉腔；再在 ER 表面涂覆多层壳聚糖（CS）与聚丙烯酸（PAA），作为敏感膜。这种构型对金属离子的检测灵敏度分别为：$\mathrm{N}{\mathrm{i}}^{2+}$ 为 $9.95\times 10^{-4}nm/ppb$，$\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}$ 为 $2.31\times 10^{-4}nm/ppb$，$\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ 为 $4\times 10^{-4}nm/ppb$。按照工作原理，干涉型传感器还可进一步分为马赫—曾德尔干涉仪（MZI）、法布里—珀罗干涉仪（FPI）、迈克尔逊干涉仪（MI）和萨格纳克干涉仪等，各自有特定的应用场景和优势。

图 2(e) 光纤 F–P 干涉传感器：ER/CS/PAA 多层膜结构检测金属离子

最后用一张表把五类传感器放在一起对比，方便初学者建立整体图景：

传感器类型	核心原理	测量信息	典型应用场景
光吸收型	目标物吸收特定波长光，吸光度正比于浓度（朗伯—比尔定律）	浓度、组分（吸收光谱）	气体检测（如 Pd 镀层测 ${\mathrm{H}}_2$）、化学分析
SPR 型	金属膜表面等离子体共振对界面折射率敏感	表面折射率变化（共振角/共振波长移动）	生化传感、分子结合检测、重金属离子检测
拉曼型	分子振动产生”指纹”拉曼谱，SERS 可大幅增强信号	化学组成、分子结构、官能团	化学分析、环境监测、生物医学
荧光型	荧光探针受激发光，目标物改变荧光信号	目标物浓度、pH 值等	pH 测量、离子检测（如 $\mathrm{H}{\mathrm{g}}^{2+}$）、食品安全
干涉型	传感臂与参考臂的相位差随待测量变化	光程/相位变化（压力、温度、位移、浓度）	高精度物理量与金属离子检测

3 水质监测

水在自然界中扮演着重要角色，水体污染会显著影响水生生态系统的平衡，危害水中的生物与植被。水质监测是及时发现水污染问题、采取措施保护水生态、维持生态平衡的重要手段。

光纤传感器在水质监测中优势明显：灵敏度高、响应快、可实时在线、能多参数测量、支持远距离传输。它们对痕量水质参数极为敏感，能够检出极低浓度的污染物，便于早期发现水污染问题；同时抗干扰能力强，即使在复杂的水环境中也能稳定工作，且无需与水样直接接触——依靠光的透射与反射完成测量，不会损伤水样，因此可实现长期稳定的监测。此外，光纤传感器还支持远程数据传输与监控，适合对大范围水体进行监测和管理。

3.1 重金属离子检测

3.1.1 铅

铅（Pb）污染是最普遍、最广泛的水质问题之一。污染来源包括工业废水、铅制管道、农药和受污染的土壤。铅在水体中蓄积会对水生生物造成不利影响，破坏整个生态系统脆弱的平衡；后果可能十分严重，包括水生生物死亡、繁殖障碍以及水体的重大生态影响。对人类而言，铅暴露水平升高尤其令人担忧：儿童铅暴露可能损害神经和智力发育，成人则可能出现高血压、肾损伤和贫血等健康问题。

为应对这一问题，世界卫生组织（WHO）和美国环境保护署等国际机构制定了水体铅含量标准。WHO 的饮用水建议限值为 0.01 mg/L，旨在保护儿童和孕妇的健康。围绕铅离子检测，研究人员发展了多种光纤传感方案，下面按检测原理分类介绍。

基于光纤光栅的方案。 Ghosh 等将高阶长周期光栅（LPG）与 FBG 结合，研制出可同时检测 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 离子和水温的混合光纤光栅传感器，其系统结构如图 3(a) 所示。传感器的工作原理是：高阶包层模的骤逝场与周围环境折射率的变化发生强烈的光—物质相互作用，而这一折射率变化由重金属离子的选择性吸附引起。研究人员采用层层静电吸附法，在 LPG 表面修饰交联壳聚糖（CS）与氮掺杂氧化石墨烯纳米复合材料（CCS-NGO）及 PAA 聚合物，制备出免标记、高选择性的 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 离子传感器，如图 3(b) 所示。在 0 至 1000 nM 的 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 浓度范围内，该传感器实现了 0.5 nM 的检测下限，在线监测光谱见图 3(c)。这里 CS 是一种线性阳离子氨基多糖类亲水生物吸附剂，富含活性氨基（$-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2$）和羟基（$-\mathrm{OH}$）基团：交联 CS 用优化剂量的 GA 交联形成三维网络，在不损失固有金属吸附能力的前提下增强了稳定性；氨基氮原子与 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 离子相互作用形成 $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_2\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 络合物；此外，CCS-NGO/PAA 敏感层吸水后氨基可能发生质子化生成 $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$，进一步促进 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 离子在 $-\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ 氮原子上的离子交换与吸附。

Yap 等则利用两支 FBG 的反射光功率测量，开发了一种低成本、便携式的 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 传感器。他们在锥形光纤传感区表面涂覆一层 L-谷胱甘肽（GSH）：当 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 与 GSH 修饰的表面结合时，会引起纤芯有效折射率的微小变化。GSH 是一种强金属螯合剂，含有谷氨酸部分的胺基和羧酸供体、肽键以及巯基中的多个活性结合位点，能特异性识别 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$。半胱氨酸残基上的巯基（$\mathrm{p}{K}_{\mathrm{a}}=9.65$）在 pH 6.5 至 8.3 范围内表现出高亲和力，因此该传感器在 pH 6 至 7 时灵敏度最高。半胱氨酸残基还能与金属形成更强的金属键，尤其是对软金属离子具有高亲和力的硫醇盐配体，从而对 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 提供较高的结合效率和出色的选择性，如图 3(e) 所示。在实际水样测试中，由于背景离子的干扰，GSH 修饰的微纳光纤传感器对空白样品产生了轻微响应，但这一假阳性结果仍低于 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 的安全限值。

图 3 (a) 高阶 LPG 与 FBG 混合光纤光栅传感系统，同时检测 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 离子与水温；(b) LPG 表面修饰材料及其自组装特性；(c) $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 浓度（0 至 1000 nM）在线监测光谱；(d) 便携式光纤 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 传感机理与基于 FBG 解调系统的微纳光纤传感平台；(e) 选择性测试；(f) 同时检测 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 与 $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ 的光纤结构原理；(g) 检测 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 与 $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ 的光纤 SPR 吸收谱

基于 SPR 的方案。 Shrivastav 和 Gupta 提出了一种基于重金属离子印迹纳米颗粒修饰的双通道光纤 SPR 平台，用于同时检测 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 和 $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$，其结构与原理如图 3(f) 所示。通道 I 和通道 II 的纤芯表面分别镀铜膜和银膜，随后在各自表面分别施加 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 离子印迹纳米颗粒和 $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ 离子印迹纳米颗粒：通道 I 专门检测 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 离子，通道 II 专门检测 $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ 离子。图 3(g) 给出了检测两种离子的光纤 SPR 吸收谱。通道 I 和通道 II 的灵敏度分别为 $8.19\times 10^4\mathrm{nm}/(\mu g/L)$ 和 $4.07\times 10^5\mathrm{nm}/(mg/L)$；检测能力方面，$\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 和 $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ 离子浓度的检测下限分别低至 $4.06\times 10^{-12}g/L$ 和 $8.18\times 10^{-10}g/L$。这种探针结构简单、成本低、选择性好，适合水质中重金属离子的在线监测。此外，Suhailin 等介绍了一种用于检测水溶液中低浓度 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 的 D 型光纤 SPR 传感器：在 D 型光纤表面溅射 Au 膜作为等离子体激元激发层，再修饰一层 $\gamma$-$\mathrm{F}{\mathrm{e}}_2{\mathrm{O}}_3$/还原氧化石墨烯（rGO）纳米复合材料作为敏感层。该传感器对 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 的灵敏度为 $1.2\mathrm{nm}/(\mu g/L)$，检测下限为 0.001 ppm。

基于干涉腔的方案。 Nazari 等开发了一种磺化 UiO-66(Zr) 光纤传感器，用于快速检测 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$。其做法是用磺酸基（$-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{H}$）功能化的 UiO-66(Zr) 金属有机框架（MOF）修饰在单模光纤端面上，构成光纤内 F–P 干涉仪：$\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$ 吸附引起的 MOF 光学性质变化表现为干涉谱的波长移动，据此可在 25.2、43.5 和 64.0 ppm 三个水平上检测水中铅阳离子。光纤与 $-\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3\mathrm{H}$ 功能化 UiO-66(Zr) 材料在 pH 2 至 9 范围内均表现出优异的稳定性，因此适合在水环境中长期监测 $\mathrm{P}{\mathrm{b}}^{2+}$。

3.1.2 重金属汞的监测

汞（Hg）以甲基汞、无机汞等形式存在，是毒性最强的重金属之一。工业废水排放、燃煤等途径会把汞带入水体，经食物链富集后最终进入人体；长期摄入高浓度汞会损害神经、免疫和循环系统，严重时影响大脑发育与智力。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 浓度不得超过 0.001 mg/L，因此准确检测水中汞离子是监控汞污染的第一道关口。

光纤传感检测水中 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 主要有两条技术路线：SPR（表面等离子体共振）传感和荧光光纤传感。SPR 的基本原理是：金属（如金膜）表面的自由电子与入射光发生共振，敏感层捕获目标离子后引起局部折射率变化，共振波长随之移动，读出波长漂移即可反推浓度。

电化学增强的 SPR 双模式检测

Lu 等把等离子体共振光谱与电化学结合，构建了 EC-SPR 双模式传感器。制作流程是：先在抛光后的光纤表面镀 3 nm 铬膜作结合层，再溅射 45 nm 厚的金膜，然后用 1,6-己二硫醇（HDT）在金表面自组装成单分子层——硫醇分子一端通过 Au–S 键固定在金膜上，另一端的自由巯基（—SH）暴露在外，负责捕捉 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$。这根镀金光纤身兼两职：既是电化学检测的工作电极，又是高灵敏度的 SPR 传感器。

${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 与自由巯基结合会引起明显的 SPR 波长移动；为了放大这一信号，作者用循环伏安法（CV）对 HDT 修饰的金膜电极进行活化。多次 CV 扫描会不断加速 SPR 波长漂移，最终把检出下限从 0.47 μM 优化到 0.22 μM（检测范围 0.5–10 μM）。更巧妙的是，CV 扫描还促进了 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 的氧化还原反应，使其从 HDT 单层上脱附、活性位点得以恢复，传感器因此可以再生重复使用。该方案在水质量评估、农业灌溉、饮用水安全等场景中都有应用潜力。

图 4（a）~（c）：光纤 EC-SPR 汞传感器结构与系统示意图，以及有无 CV 处理时的 SPR 响应与检出限对比

纳米颗粒增强的”三明治”SPR 检测

Yuan 等基于 SPR 效应设计了另一种 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 传感器，核心是用 4-巯基吡啶（4-MPY）修饰的金纳米颗粒（Au NPs/4-MPY）作信号放大标签。工作流程分两步：光纤镀金表面先通过 Au–S 键固定 4-MPY，吡啶氮暴露在溶液中与 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 配位；随后 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 再捕获溶液中的 Au NPs/4-MPY，形成”（金膜/4-MPY）—${\mathrm{Hg}}^{2+}$—（Au NPs/4-MPY）“的三明治结构。金膜与金纳米颗粒之间的耦合产生强局域 SPR，把信号显著放大。该传感器可在 8–100 nM 范围内检测 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$，检出限为 8 nM，并在自来水样品中验证了实用性。

荧光猝灭式便携检测（SOFFS）

前两种方案都依赖台式光谱设备，Liu 等则用荧光猝灭法研制了可长距离、实时在线定量检测 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 浓度的手持系统 SOFFS。装置内置电源，一次完整检测（包括更换光纤探针、荧光图像记录和数据分析）只需 3 分钟。它由三部分组成：激发荧光信号的半导体激光器、负责感知 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 的量子点修饰光纤探针，以及带滤光片、负责采集荧光信号的智能手机。SOFFS 对 ${\mathrm{Hg}}^{2+}$ 的检出限低至 1 nM，检测范围横跨 1–1000 nM；作者用 pH 约为 7 的淡水和海水实际水样验证了其现场检测能力。

图 4（d）（e）：SOFFS 手持硬件设计，及其在淡水与海水样品中的应用

3.1.3 重金属镉的监测

镉（Cd）主要来源于电池制造、采矿活动和工业废水，进入水体后通过生物富集与沉降污染水源，威胁生态平衡。长期接触镉会导致肾损伤、骨质疏松甚至癌症，WHO 规定饮用水中镉浓度不得超过 0.01 mg/L。

镀金倾斜光纤光栅（TFBG）+ 细菌敏感膜

Cai 等利用镀金倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）制作了高灵敏度等离子体光纤探针，并在金膜表面修饰不动杆菌属（Acinetobacter spp.）细菌作为敏感膜，用于精确测定溶液中的 ${\mathrm{Cd}}^{2+}$ 浓度。TFBG 是光栅面倾斜的光纤光栅，可将芯层光耦合成包层模，镀金后能激发表面等离子体共振——敏感膜吸附 ${\mathrm{Cd}}^{2+}$ 引起周围折射率变化，共振信号随之改变。该探针对 ${\mathrm{Cd}}^{2+}$ 的检出限接近 1 ppb（检测范围 0.1–1000 ppb），整个检测过程在 10 分钟内完成。