题记
光学纤维传感器是将光纤技术应用于传感器领域而形成的一种新型传感器。它具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度等优点，因此在许多领域得到了广泛的应用。光学纤维传感器可以检测各种物理量，如温度、压力、湿度、位移、磁场等，并且可以在恶劣的环境下工作，因此在航空航天、石油化工、医疗诊断等领域具有广泛的应用前景。
生物医学光学相干断层扫描（OCT）是一种非侵入性成像方式，可以提供实时、高分辨率的二维和三维散射样本图像。该技术可以通过映射局部反射率来可视化样本形态。此外，光学相干断层扫描能够检测功能特性，如双折射、运动或具有出色空间分辨率的特定物质的分布。它的主要应用领域在于生物医学成像和诊断领域。图形表示和结构排他性信息显示了全球生物医学光学相干断层扫描市场的支配地位。关键驱动因素、机会和独特细分输出的详细和建设性的形成提供了结构和乐观的数据。使用主要和次要研究方法和全球生物医学光学相干断层扫描市场的范围进行验证。
慢性疾病的发病率增加和对 OCT 的认识增强是生物医学光学相干层析成像市场的增长因素
全球慢性疾病的发病率不断上升，包括癌症、心血管疾病和糖尿病，这是对光学相干层析成像（OCT）系统需求的强大驱动因素。 OCT 在诊断和监测各种慢性疾病方面发挥着关键作用，包括早期检测癌症、评估动脉斑块形成和监测糖尿病视网膜病变。
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《等离激元光学光纤生物传感器》介绍
《等离激元光学光纤生物传感器Plasmonic Optical Fiber Biosensors》
这本书提供了对等离子体光纤生化传感当前趋势的全面了解。它收集了最新的技术信息，并展示了不同后续技术所达到的成熟度。展示了等离子体光纤生化传感器设计过程和实施的路线路图，弥补了理论与实践之间的鸿沟。在这种理念下，了解关键物理属性对于有效设计符合目标规范的传感平台至关重要。
通过学习本书你将了解到光纤配置和功能涂层在结果光电极性能上的作用。你还会获得对迄今为止用于等离子体感测的所有光学纤维配置的全面概述，特别是过去十年来所取得的进展，并使该技术兼容以用于实际情况。本书既介绍基础方面，又介绍先进应用，同时关注最近和新兴的研究领域，例如倾斜光纤布拉格光栅的使用、现场集成传感器、智能查询技术的使用等等。
本书是光学纤维基传感器初学者和专家的独特参考，尤其是对从事生物光子学和生化感测的工业工程师而言，因为它介绍了最先进的的设计程序和感测功能。该书的理论背景与最近基于等离子体的光学纤维技术的进步相结合，也使它对所有专门研究或对这一充满希望和潜力的学科感兴趣的研究人员、学者和学生都非常有益。
光学纤维传感器是将光纤技术应用于传感器领域而形成的一种新型传感器。它具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度等优点，因此在许多领域得到了广泛的应用。光学纤维传感器可以检测各种物理量，如温度、压力、湿度、位移、磁场等，并且可以在恶劣的环境下工作，因此在航空航天、石油化工、医疗诊断等领域具有广泛的应用前景。
在过去的几十年里，自然科学和工程学的研究与开发在根本上发生了变化。由于认识到社会对人类交往和安全（包括个人和社区健康以及保护生物圈）的需求需要并受益于许多学科的高度集成解决方案，因此学科之间的障碍正在崩溃。这本书由一位电气工程师和一位生物化学家共同撰写，是这种知识整合的完美典范。
本书的作者Christophe Caucheteur 和 Médéric Loyez 一直处于基于光纤设备的生物化学传感器许多重要进展的最前沿，因此非常适合撰写这些主题。 他们撰写了一部全面的专著，涵盖了光纤传感器的原理、各种实施方式以及该领域最近取得的进展，该领域使用等离子体放大。由于目标读者包括具有广泛不同背景的研究人员和学生，因此这项具有挑战性的任务包括关于光子学、化学或生物化学以及物理学中最相关方面的简要教程，包括引用教科书以获取更多信息。
最重要的是，这本书详细描述了一些特定的例子（其中许多来自他们自己和合作者的重要贡献），以突出该领域采用的不同方法。最后，大多数章节都以一个大的参考列表结束，以指导读者阅读关于等离子体光纤传感器及相关技术的丰富文献。作者还努力介绍了该领域的商业发展情况，并描述了最新的研究成果如何为进一步的实际应用做出贡献。这本书也配有很多精美的插图和图表。
由于所有这些原因，并且因为目前提供的信息分散在许多特定学科的书籍和科学期刊中，我认为这本书将被证明是一种极其有用的单一信息来源，可供各种类型的用户使用，从学生到学术界和工业界的高级研究人员。
《等离激元光学光纤生物传感器》的各章内容介绍
图1.1光纤中的光线引导机制。
等离激元光学光纤传感器收集通常基于几厘米长的多模或单模光纤段的各种小型化配置，这些光纤段局部修改并被薄金属膜包围。它们是商业上可用的棱镜配置的转换，具有易于注入光、远程操作和原位操作功能。虽然它们在大约三十年前出现，但这些实验室光纤设备多年来一直是密集研究和开发的对象。现在它们已经成熟到可以用于多种实际应用，包括环境传感和医疗诊断，它们可以带来独特的附加值。这些主题的文献每年都有数百篇出版物，以及几篇评论文、书籍章节和关于该主题的书籍。
原理：光纤与克雷茨曼棱镜的比较光纤是由至少两层同心层构成的低损耗圆柱形光波导，其中核心被涂层包围。通常，前者的折射率略高于后者，这样光可以通过在核心-涂层界面处发生的全内反射机制在核心中传播，如图1所示。光纤的主要作用是以光脉冲信号的形式以非常高的速度传输数字信息，并且与铜缆相比具有非常小的衰减。在1550nm波长处的光学衰减最小，接近0.2dB/km，这使得长距离电信成为可能。
光学纤维传感器几乎与第一批用于电信的光纤一样古老。使用光学纤维作为传感器的想法肯定是由于努力防止它们受到电信网络中不需要的温度变化或微弯曲和宏观弯曲的影响而产生的。诸如瑞利、拉曼、布里渊和布拉格等杰出的科学家已经以他们的名字命名了物理原理（以及不同的技术类型），其中大多数光学纤维传感模式都是基于这些原理的。许多光学纤维传感器配置已经发展成为商业产品，无论是在性能还是成本方面，都与其他传感器技术具有很强的竞争力。土木工程结构、工业、飞机、管道，甚至火山和海底都通过光纤进行监测，以确保安全和维护或操作参数。近年来，医疗应用也大量涌现，主要用于人体液体的局部压力和温度测量。
图1.2克雷茨曼棱镜配置的草图和基于表面等离子体共振位移的检测原理。
这些应用都受益于光纤相对于电传感器的决定性优势。可以在单根光缆（直径为250μm，外面有常规聚合物涂层）上连续实时地复用数百个传感器，并从一端连续询问。因此，不需要在传感器位置进行电气插接，因此可以放置在恶劣环境中，并且不会受到电磁干扰的影响。这些重要的实际资产和其他资产催生了一个蓬勃发展和迅速扩大的业务，并继续得到不断增长的研究和开发的支持。现在世界上有数百家生产销售物理（被测量的是温度或机械参数，包括应变、振动、倾斜、压力和弯曲）光纤传感器的公司。
尽管每年都有大量的研究出版物，但生化或电化学传感光纤传感器市场的扩张并不那么直接。这些传感器基于吸收测量、折射测量或干涉测量。这些应用通常需要更高的准确性才能发挥作用，并且被测量的参数在不同的时间尺度上可能是嘈杂的。当涉及生物传感时，应提供检测浓度为皮摩尔水平甚至更低的能力。该领域的活跃人士知道，这在实践中比测量约0.1°C的温度变化要复杂得多。在光纤周围需要功能层或敏感层材料，这给可控和可重复制造带来了固有的复杂性，这对它们的可靠性和成本产生了影响。另外，对其他参数如温度和应变的交叉灵敏度必须加以解决，因为它们可能影响整体信号变化并因此产生错误响应。这些固有的困难需要共同努力来客观地改进这种技术，并将这些平台变成用户友好和通用的接口。这正是现在在不同整合层次上所发生的情况。
图1.3基于光纤传感的入门套件。
这些复杂性在物理光纤传感中是不存在的，这当然解释了为什么功能化光纤传感器的实际应用目前要有限得多。实验室取得了重大进展。在许多实施中，光纤生化传感器已经达到了非常高的灵敏度和非常低的检测限，这使得它们容易与其他技术竞争。对温度的交叉敏感性也得到了解决，通过将其影响与要测量的参数分开。这一点非常重要，因为许多即将到来的应用将需要位于非标准化环境中的传感器，其中温度可能会影响传感器的校准或正在监控的化学过程。
对于生物传感，快速准确地检测低浓度的分析物（蛋白质、DNA、病理标志物、毒素）在许多领域都是至关重要的，如医疗诊断、环境监测和食品工业的质量控制。在这些应用背景下，检测系统可以分为两大类：实验室基础型和现场基础型，其中现场意味着在样本所在位置进行检测，而不是将样本带回实验室。另一种区分是直接检测和标记法，后者需要向分析物添加某种标签以使其能够被检测到。从成本和易用性方面（特别是对于现场使用）来看，直接检测方法通常优于标记方法。然而，无标签检测通常灵敏度较低，因为标记使得可以使用额外的选择和放大方法来提高非常低浓度的信号水平超过样本的背景响应。
金属纳米结构在光学传感领域具有巨大的应用前景，特别是表面等离子体共振（SPR）传感。过去十年中，对金属纳米结构的研究取得了显著的进展，提高了其技术成熟度，现在的研究结果也证实了它们可能成为改变游戏规则的潜力。研究人员提出了几种不同的金属纳米结构配置，这些配置可以被视为Kretschmann棱镜实现的转换，它们改变了我们对光学传感的理解和实践。Kretschmann棱镜仍然是金标准的表面等离子体共振（SPR）传感，也是商业上可用的等离子体设备的基础，这些设备与微流体系统一起使用，将待检测的化学物质带到传感器表面。因此，这段文字主要讨论的是金属纳米结构在光学传感领域的应用，以及这些结构如何改变我们对光学传感的理解和实践。
图1.4光纤连接器的类型。
在Kretschmann配置中，将光线以一个超过临界入射角的角度注入到玻璃棱镜的金属涂层表面。一个消逝波在金属薄膜（平均厚度约为50纳米）以及周围的介质中传播。当满足相位匹配条件时，消逝波激发等离子体波，这是金属层内自由电子在金属和周围介质之间的界面处的集体激发。这个等离子体波对传感器表面周围介质折射率的变化非常敏感，可以用来监测密度波动或厚度测量。
当生物受体（即具有选择性亲和力的生物分子，可以与目标分子结合）被移植到金属表面时，等离子体光学传感器可用于直接（即无标记）生化传感。当目标分子与固定的生物受体结合时，可以检测到表面等离子体共振的偏移，并将其与待测物检测相关联。光学纤维允许设计小型化和集成的棱镜配置的对应物。为此，将光局部耦合出光学纤维，并将其引入与在其上沉积薄金属膜的纤维表面周围的介质接触。有许多相互竞争的方法可以实现这一点，最简单的方法当然是将光纤弯曲成U形几何形状，以便使消逝波与外部介质接触。
图1.5生化传感入门套件。
本书旨在为在多个应用领域中使用等离激元光学光纤传感的整体进展提供一个全面的概述，同时为初学者提供有关等离激元和光学光纤传感器的教育信息。该主题本质上具有高度跨学科性，可以由各种不同学科的研究人员来处理。因此，生物化学家或生物学家一定会想要了解光学光纤配置是如何工作的，它们是如何将光耦合到敏感区域，以及如何解释响应于分析物检测的光信号。考虑到他们的科学背景，光学或光子学的工程师将更感兴趣于有关可以在光学纤维周围部署的涂层的信息以及受体如何被移植到这些涂层上并与待检测的物种相互作用的信息。其他人肯定需要这两种信息。
因此，本书的内容适合于广大读者，并将从工程角度涵盖与等离激元光学光纤传感领域相关的不同学科。本书的组织和编写是为了与该主题的其他相关参考文献（特别是提供更物理覆盖的文献）相辅相成，尽管背景章节将与现有的文献有很大的相似之处。这种内容管理有以下目标：本书的目标是提供关于迄今为止用于等离激元传感的所有光学纤维配置的最新和统一的认识，重点关注过去十年中取得的切实进展，并使该技术兼容以用于真正的工业应用。
特别是，本书的内容将重点关注等离激元光学光纤生物传感器的最新和新兴应用，例如倾斜光纤布喇格光栅的使用、现场集成传感器以及智能询问技术的使用。据我们所知，这些不同的应用还没有在专门针对该技术的单一参考中集体解决。本书旨在弥补等离激元光学光纤生物传感器基础方面和应用方面之间的差距，并强调它们作为设计参数（光学纤维配置、涂层、功能化）函数的主要属性。理解这些关键物理属性对于设计能够满足目标规格的传感平台至关重要。
• 提供等离激元光学光纤传感器设计过程和实际实施的路线图。它将帮助读者理解光纤配置和功能涂层在派生光电极的基本属性中的作用。这将使感兴趣的研究人员和开发人员更容易实现其实践。
• 收集最近的信息和技术改进，展示不同后续技术的成熟程度及其成熟度，以设想实际实施。它还将关注实际应用的计量性能。
本书旨在从工程角度对等离激元光学光纤传感器的最新趋势进行现代和统一的回顾，同时提供历史视角。本书的内容旨在最大限度地减少与先前出版的有关该主题的书籍（在适当的地方将参考文本）的冗余，除非我们认为相关的背景信息对于整体了解该技术和教育目的是必要的。 第2章提供了有用的物理背景，以熟悉表面等离子体及其在传感方面的用途。这些背景信息对于弄清楚如何使用光纤激发表面等离子体至关重要。 考虑到基于光纤的等离激元传感器的多种配置及其在实现、光谱特性和相对性能方面的巨大差异，决定将其分为三个不同的章节进行介绍。因此，第3章描述了用于等离激元传感的多模态光纤配置，而第4章总结了单模态光纤配置。第5章针对特种光纤的使用。每一章都关注每种情况下获得的典型光谱响应及其后续计量性能。
第6、7和8章将致力于介绍用于等离激元光学光纤传感器的生物功能化的主要策略。第6章专门介绍使用抗体及其衍生物作为生物受体实现光学光纤免疫传感。描述了固定化策略和传感应用。第7章涉及使用基于DNA或RNA的分子作为生物受体。它们可以检测广泛的目标，如离子、DNA或RNA、蛋白质和细胞等。这一章全面介绍了这些应用和最近的成果。第8章旨在描述其他生物受体，如分子印迹聚合物、细胞和酶等。还强调了趋势和新兴的传感策略。等离激元光学光纤传感器涵盖了比生物传感更多的应用。
第9和10章将关注这些最近的进展。第9章涵盖了将其他物理原理与等离子体和与等离子体相关的传感特性结合的所有最新形式的传感器。第10章涉及该技术向集成探针（例如，点护理（POC）或原位传感）发展的当前和即将出现的发展。 最后，第11章得出本书的一般结论，确认了伴随等离激元光学光纤生物传感平台的研究和开发的科技就绪水平的提高。 在本章结束时，我们认为为希望了解等离激元光学光纤传感器开发方面典型实际考虑的非专业人员提供基本信息是很有意义的。
