近日，西安交通大学人居环境与建筑工程土木工程研究所罗冬副教授联合西安交通大学材料学院宋忠孝教授、郭志新特聘研究员在光纤传感与腐蚀监测领域取得重要研究进展。其研究成果以 “1,10-phenanthroline-modified silver-coated D-shaped optical fiber SPR sensor for selective and rapid detection of Fe²⁺ ions in corrosion environments” 为题，发表于国际权威期刊 Sensors and Actuators: A. Physical（JCR Q1，IF=4.9），论文已正式上线发表。

研究背景与意义

地下及海底金属结构（如油气管道、基础设施）在服役过程中易发生腐蚀，其中 Fe²⁺离子释放是腐蚀早期最重要的指示信号之一。传统检测方法多依赖取样分析或实验室测试，难以满足复杂腐蚀环境下原位、实时、快速监测的工程需求。

 

图1 D型POF光纤结构示意图

针对上述问题，该研究提出了一种基于D型塑料光纤的表面等离激元共振（SPR）传感新方案，为地下与海洋工程结构腐蚀早期诊断提供了一种高灵敏、快速响应的光学监测手段。

 

图2 传感器D型横截面示意图

主要研究内容与创新点

该研究构建了一种“银膜 + 邻菲罗啉分子自组装层”协同调控的D型光纤SPR传感结构，通过光学微结构设计与界面化学识别机制耦合，实现了对 Fe²⁺ 离子的选择性快速检测，其主要创新点包括：

l 提出 Ag/邻菲罗啉双层协同调控策略：在D型光纤平面区域沉积 40 nm 银膜，并引入约 6–7 nm 厚的1,10-邻菲罗啉分子自组装层，实现等离激元场增强与离子化学识别的协同优化；  

 

图3 邻菲罗啉自组装层通过配位作用形成络合物示意图

l 结合COMSOL多物理场仿真与实验验证：系统分析金属膜厚度与分子层厚度对 SPR 共振特性、灵敏度及分辨率的影响，明确了结构参数的最优匹配关系；

 

图4 邻菲罗啉修饰镀银D型光纤传感器的有限元建模与电场分布结果

l 实现高灵敏、快速 Fe²⁺ 检测性能：传感器在120pg·mL⁻¹ – 1.2 μg·mL⁻¹浓度范围内表现出良好的线性响应，检测限低至 1.6 pg·mL⁻¹，响应时间约10 s，折射率灵敏度达6669 nm·RIU⁻¹。

图5 镀银光纤及邻菲罗啉自组装层的表面形貌与元素组成分析

l 具备优异的离子选择性与抗干扰能力：相比 Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Hg²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺ 及 Cl⁻ 等共存离子，Fe²⁺引起的共振波长变化最为显著，验证了邻菲罗啉界面对 Fe²⁺的特异性识别能力。

 

图6 镀银D型光纤SPR传感器在不同银膜厚度与邻菲罗啉自组装层厚度下的性能对比分析

应用前景

研究结果表明，该光纤 SPR 传感器在地下与海底管道腐蚀早期监测、基础设施健康诊断及智能运维等方面具有良好的工程应用潜力，可为复杂腐蚀环境下的长期原位监测提供可靠技术支撑。

论文第一作者是西安交通大学人居学院博士研究生王亚宁，通讯作者为罗冬副教授，研究得到国家自然科学基金(52078418)、未来城市建设与管理创新联合研究中心（20211177-ZKT14）；陕西省四主体一联合土体中心(2022ZY2-CXJD-09);西安交通大学基本科研业务费(xzd012022071)；榆林市科技计划项目 (CityCXY-2020-046)的共同资助。

 

论文信息：

Yaning Wang，Dong Luo*，Zhongxiao Song，Xiaodong Zhu，Zhixin Guo，Ziming Xu.1,10-phenanthroline-modified silver-coated D-shaped optical fiber SPR sensor for selective and rapid detection of Fe²⁺ ions in corrosion environments.Sensors and Actuators A: Physical, 2026: 117491.

 

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424726000427?dgcid=author