●简介
冰微纳光纤简介
1.用冰来制备光纤
冰是地球及很多地外天体（地外行星、卫星、彗星等）表面最普遍、最丰富和最重要的物质之一，在物理化学、生命科学、大气环境、地球物理学、天文学等很多领域中发挥不可替代的作用。从古至今，人类对冰的好奇心从未停息，特别是在过去的几个世纪里，基于近代科学技术发展起来的光学、电学和力学等实验手段，人们对冰进行了广泛深入的研究，从冰的高压相、二维结构等新形态，到电子束光刻等应用探索，对冰的认识和应用能力得到了很大的提升。
然而，作为最常见的物质之一，我们对冰的认识仍然存在很大的未知空间。比如，我们通常认为，冰是一种脆性的易碎物质，所以容易产生雪崩、冰川滑移和海冰碎裂等自然现象。已有的实验数据也支持上述认识，目前实验测到的冰的最大弹性应变为0.3%左右，大于这个值就会碎裂。虽然理论计算曾预测，理想情况下，冰的弹性应变极限有可能大于10%，但是真实冰晶中由于存在结构缺陷，能够达到的应变值远低于理论极限。
另一方面，光纤作为一种将光约束和自由传输的功能结构，是目前光场操控最有效的工具之一。将标准光纤直径减小到波长甚至亚波长量级，成为微纳光纤，提升或引入光场在空间约束、近场相互作用、表面增强、波导色散及光动量效应等方面的调控能力，在近场耦合、光学传感和量子光学等方面具有独特优势，是目前光纤领域的前沿研究方向之一。微纳光纤的光场调控能力，很大程度上取决于光纤材料的结构形态及其光场响应特性。常规的玻璃光纤，主要成分为氧化硅（石英沙），是地壳中含量最丰富的材料之一，在光传输中具有宽带低损耗等优异特性，被“光纤之父”高锟先生称为“古沙传捷音”。
实际上，在地球及很多地外星球表面，比古沙更普遍的物质是冰或液态水，童利民老师的团队提出用冰来制备光纤，在长达四年的研究中他们成功制得了冰微纳光纤。
2.首次实现冰的弹性弯曲
在这项研究中，结构制备是关键的第一步。研究团队自行搭建了生长装置，在大量实验基础上，改进了已有的电场诱导冰晶制备方法，成功生长了直径从800纳米到10微米的高质量冰单晶微纳光纤。在冷冻电镜下，验证了这些沿c轴生长的冰单晶微纳光纤具有很好的直径均匀性和表面光滑度。
“作为光纤，必须能够自由弯曲，才会更有用。”童利民老师说。为了探索冰微纳光纤的力学性能，研究团队发明了一套低温微纳操控和转移技术，实现了液氮环境下微纳结构的灵活、精确操控。在零下150℃的冰微纳光纤中，获得了10.9%的弹性应变，接近冰的理论弹性极限（远高于此前报道的最高0.3%的应变实验值），实现了冰微纳光纤的灵活弯曲。
3.未来应用潜力广泛
冰的分子结构随压强改变而发生相变，一直是研究者们感兴趣的问题。但是，由于产生相变所需的压强通常在数千个大气压以上，需要使用特殊设计的金刚石压砧等设备来获得，实现条件不易。
研究团队发现，通过大应变弯曲冰微纳光纤，有可能为相变所需的高压提供一种简单的解决方案。研究团队研制了一套结合低温微纳操控的原位显微拉曼光谱测量系统，通过弹性弯曲冰微纳光纤并原位实时测量最大应变区域的拉曼光谱，发现应变超过3%时，就可以出现冰从Ih相（常压相）转变为II相（高压相之一）的特征拉曼峰。同时，通过弹性弯曲还可以为冰施加超过一万个大气压的负压，这是目前其他实验方法难以做到的。因此，上述弹性弯曲技术为冰的相变动力学研究提供了一种新的实验方法。
更进一步，材料对光场的响应特性取决于其组成元素、分子结构及其排列方式。研究团队预测，由H2O分子规则排列而成的冰单晶微纳光纤，在光的操控方面具有潜在优势。为了测试其光学特性，团队利用其此前发明的近场耦合输入技术，在可见光波段实现了冰微纳光纤的宽带光传输，传输损耗低达0.2dB/cm，与目前高质量平面波导相当，这种光操控能力为微纳光纤用于低温光学导波与传感提供了新的技术可能。由于理想冰单晶在可见光波段具有极低的吸收和散射特性，进一步优化制备和测试条件，将有可能在冰微纳光纤实现超低损耗光传输。
童利民老师认为，对于冰这样一种自然界中最普遍、但又最神奇的物质，相信该项研究结果将拓展人们对冰的认知边界，激发人们开展冰基光纤在光传输、光传感、冰物理学等方面的研究，以及发展适用于特殊环境的微纳尺度冰基技术。
●问题提出
相较于传统玻璃光纤，冰微纳光纤对生物友好，考虑用冰微纳光纤来制备生物传感器。
●问题解答
一、光纤生物传感器
1.生物传感器
生物传感器是将生物物质（比如酶、细胞、蛋白质、抗体、抗原、DNA等）作为识别物，把生物化学反应转换成为能够定量的物理或化学信号，从而实现对生命、化学物质检测及其监控的装置。
生物传感器按是否使用标记物分为两类：一类是标记型生物传感器，检测时先用荧光素、放射性同位素或酶等标记物对被测生物进行标记，然后通过检测标记物的信号来获取被探测物的信息。
目前使用的免疫传感器大多数属于这一类，然而利用放射性标记物检测，对于工作人员具有一定的危害，用荧光检测时非特异性荧光也会影响测量结果。
另一类是免标记型生物传感器，不需要对探测物进行标记，而是直接通过生物复合物形成时的物理、化学变化对生物对象进行检测，极大地简化了操作过程，因此免标记生物传感器成为了生物传感器的一个重要研究方向。
2.光纤传感器
由于光纤传感器具有灵敏度高、结构简单、不易受电磁干扰等其它器件所不具备的优点，而免标记的生物检测方法又可以将生物化学反应直接转变为可测信号，不需要加入标记物，测试过程简单直接，因此免标记光纤传感器已经成为生物传感器研究的重要方向。
3.原理
免标记光纤生物传感器的功能是将光纤上的生物敏感膜和被测物质直接接触时发生的特异性吸附反应转换成光信号，检测生物分子的特性。光纤生物传感器由两部分构成：传感段和传输段。
在传感段，首先要对光纤传感头表面进行特殊化学处理，如利用偶联法、自组装或偶联法结合卵白素生物素桥连法等方式将生物靶分子固定于传感头表面。在发生生物化学反应时，目标分子会吸附于光纤传感头表面的生物膜层上，使生物膜层厚度增加，改变传感头表面的等效折射率，从而影响传输光信号的特性，如：谐振波长、光功率等。通过检测传感器输出光信号的变化就可以对被测生物分子的物理化学特性进行监测；另一部分是传输段，主要负责光信号的传输，一般会保留该段光纤的包层。
4.研究现状
目前得到广泛研究的免标记光纤生物传感器按照工作原理不同可以分为：光纤表面等离子体共振生物传感器、光纤倏逝波生物传感器和光纤光栅生物传感器等。
二、用冰微纳光纤制造光纤生物传感器的优势：
（1）由于冰微纳光纤本身良好的绝缘屏蔽作用，其抗干扰能力强，不受周围电磁场的扰动。
（2）不需要参考电极，探头可小型化，操作方便。
（3）可实现遥测，并能进行实时、在线和动态检测。
（4）响应速度快，灵敏度高。
（5）冰微纳光纤对生物友好，用以制造生物传感器在配适度和配适性上的优势明显。
●问题讨论
一、冰微纳光纤在生物传感器方面的应用：
从医学应用角度来讲，冰微纳光纤生物传感器安全，人体不接触电流，探头小，可弯曲便于插入体内有许多种适于植入体内的材料可供选择，制作传感器。
在生物学、医学研究中，传统的生物传感器体积较大，仅能用于组织、细胞悬液等的测量，当检测样品的尺寸缩小到微米级时，如检测活细胞或其它亚细胞组分时，实时、准确、无干扰地测量样品内化学和自然成分变得极为困难。制造冰微纳光纤探针和纳米敏感材料，运用冰微纳光纤探针和纳米级的识别元件检测微环境中的生物、化学物质。运用这种高度局部化的分析方法，使能够监测微环境（如：细胞、亚细胞结构）中各成分浓度的渐变以及其在空间的不均一性。
二、存在的问题：
1.冰微纳光纤对温度和压力的要求高。
2.冰微纳光纤制造的生物传感器长期稳定性、可靠性不确定，得不到保障。
3.怎样在满足冰微纳光纤所需温度，压力条件下制造光纤生物传感器，并实现较高的生物配适性和长期稳定性。
三、总结
冰微纳光纤制造的生物传感器是一种非常新的具有吸引力的概念，虽然具有许多潜在的优点，但也确实存在不少问题。我相信随着研究的深入，这种技术会越来越完备，达到实用也是有可能的。
●基本参考文献
［1］复旦大学光学物理暑期学校讲座：童利民老师报告
http://www.dxsbao.com/news/412874.html 点此复制本页地址
