一种基于光子微谐振器的选择性硝酸根离子检测传感器

前言

痕量水平的硝酸盐离子的高选择性化学传感研究，是从环境传感和土壤科学到农业和国土安全的广泛领域的重要研究课题。硝酸盐是大多数植物的一种重要矿质营养，通过肥料施用硝酸盐是全球水污染的一个主要来源，因为肥料会在河流和小溪中流失。精确的氮肥管理和有效的施肥可以减少对环境的负面影响，在现代农业中是可取的。然而，仍然缺乏用于以高灵敏度、特异性和准确性有效检测这种离子浓度的可靠的现场部署传感器技术。与硝酸盐检测相关的现场紧凑型传感方法可分为两类:电位法和光学法。对于电位测量方法，如离子选择电极(ISE) [4-6]和离子选择场效应晶体管(ISFET)，无法避免参考电极的固有电位漂移，频繁校准的需要可能会阻碍它们的实际应用，特别是土壤传感。相比之下，检测硝酸盐的光学传感方法可能不需要参考元素，并且可以消除最小的电干扰和基线变化。分光光度法被广泛用于硝酸盐/亚硝酸盐的测定。然而，这些技术需要复杂的样品预处理，例如涉及氧化还原反应的分析方案，这不利于现场部署的硝酸盐测定。用于检测硝酸盐的其他光学方法，如傅立叶变换红外光谱法和拉曼光谱法。虽然这些方法可以提供出色的灵敏度，但对复杂和昂贵仪器的需求降低了实验室以外对这些技术的兴趣。

研究内容

与其他光学方法相比，硅基集成光子传感器以其紧凑的尺寸和多路复用的传感能力而闻名。芝加哥大学的研究人员的研究目标是开发基于小型、低成本、高灵敏度的传感器平台，该平台在硅上制造，能够检测离子种类，如硝酸盐。他们的策略是用能够选择性结合目标分析物的材料使这种包埋介质功能化，以确保传感过程的高特异性。选择性结合导致折射率的变化，该变化是由通过谐振器装置的光吸收峰的移动而获得的。在他们的研究中，论证了这种技术用于硝酸盐传感的可行性。使用与硝酸盐选择性聚合物膜集成的纳米制造的微环谐振器，该膜在吸收硝酸盐离子时经历小的但可检测的折射率变化，实验表明，在10-100 ppm的相关范围内的硝酸盐浓度可以以对氯离子和NO2-的良好特异性来检测。这些目标适当地满足了面向土壤和植物科学的硝酸盐传感器的需求，二硝酸盐的集成光子传感器以前没有在文献中报道过。

实验方法

他们的工作中使用的硝酸根离子选择膜，由分散在过增塑聚氯乙烯聚合物基体中的硝酸三十二烷基甲基铵组成。离子载体TDDMA用作选择性离子载体，仅允许硝酸根离子从水溶液进入疏水膜。这种硝酸盐离子载体被广泛用于制备硝酸盐离子选择性膜，并已被证明在ISE和ISFET应用中对硝酸盐离子具有优异的选择。

硝酸根离子选择性光子传感器示意图

器件制造步骤

没有功能化涂层的微型谐振器的实验光透射谱结果

结论

该团队展示了一个芯片级光子传感平台，当它被一个硝酸盐选择性的ISM膜作为功能化膜覆盖时，具有高灵敏度和高特异性。研究表明，ISM是一种低吸收损耗的光学涂层，其折射率随硝酸盐含量而变化。这些微小的变化是通过基于环形微谐振器结构的光子器件的谐振峰的偏移来检测的。该装置暴露于各种浓度的硝酸钠溶液中，测得的共振位移显示出与硝酸盐浓度在1-100 ppm之间，硝酸盐检测灵敏度为0.1 ppm，对氯离子具有良好的特异性。这种转变本身在紧凑型固态激光器(如分布式反馈激光器)和探测器的范围内，因此这种方法可能适用于使用集成光子技术的紧凑型现场可部署单元。通过使用功能化膜，实验还展示了一种利用离子传感系统进行传感应用的新方法，不仅为硝酸根离子的传感提供了新的机会，也为离子传感系统可用的各种离子提供了新的机会。

https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.129027。