《Surfaces and Interfaces》：A New Design of Optical Fiber Sensor Incorporating Co?O?@Ag Nano-heterostructure: Leveraging Antibacterial Property for Highly Selective, Sensitive, and Durable Acetone Detection
編輯推薦：
納米異質結構涂層光纖傳感器在近紅外區實現0.90 ppm超低檢測限和高效抗菌性能，通過Co3O4@Ag異質結構提升蒸發場相互作用并促進電荷轉移，抗菌測試顯示對大腸桿菌等三種細菌有效。
卡努·查蘭·納亞克（Kanhu Charan Nayak）| 阿肖克·庫馬爾·薩胡（Ashok Kumar Sahu）| 蘇文杜·杰納（Shuvendu Jena）| 斯里瑪伊·帕尼（Srimayee Pani）| 薩斯瓦特·索拉夫·莫哈帕特拉（Saswat Sourav Mohapatra）| 蘇坎塔·庫馬爾·特里帕蒂（Sukanta Kumar Tripathy）
納米光子學與量子傳感實驗室，納米科學與技術卓越中心，傳感器開發部門，貝蘭普爾大學物理系，比哈爾邦貝蘭普爾，奧里薩邦，760007，印度
摘要
傳統的涂覆有材料的光纖傳感器常常因微生物污染導致的耐久性差和信號衰減而面臨挑戰。為了解決這些問題，我們首次將抗菌功能集成到基于光纖的丙酮傳感器中，從而同時提升了傳感性能和生物保護能力。在本研究中，我們合成了具有可控銀含量的Co3O4@Ag納米異質結構，并使用XRD、UV-Vis、FTIR、FESEM和EDX對其進行了表征。評估了不同銀含量修飾的光纖探頭的丙酮傳感性能，其中F-C/Ag0.15配置在近紅外（NIR）區域表現出優異的性能，檢測限低至0.90 ppm，靈敏度高達0.2078 nW/ppm，響應時間快至10秒。COMSOL Multiphysics模擬顯示，性能的提升得益于增強的衰減場相互作用；密度泛函理論（DFT）計算證實了Co3O4@Ag-丙酮界面處丙酮的吸附效果良好且電荷轉移高效。此外，這種納米異質結構對大腸桿菌（Escherichia coli）、銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）具有強烈的抗菌活性。這些結果表明，Co3O4@Ag納米異質結構是一種多功能涂層，結合了高性能的丙酮傳感和內在的抗菌保護，為下一代基于光纖的生物醫學傳感器提供了堅實的基礎。
章節摘錄
引言
光纖上的抗菌表面涂層通過有效抑制細菌增殖并顯著減少生物污染來提升性能，生物污染會損害光學清晰度和傳感器功能。這一創新確保了穩定的光傳輸，減少了維護成本，并降低了運營費用。在衛生至關重要的環境中（如醫療保健和食品加工設施），這些涂層在降低微生物污染風險方面發揮著關鍵作用。
材料
四水合醋酸鈷（Co3O4）（CH3COO)2Co·4H2O，純度99%；硝酸銀（AgNO3；氨（NH3）；丙酮（純度99.9%）；乙醇（純度99%）均購自Sigma Aldrich。Mueller-Hinton肉湯購自HIMEDIA。所有化學品均按原樣使用。整個合成過程中使用電阻率為18.2 MΩ·cm的Milli-Q水。氧化鈷（Co3O4）的合成
采用簡單的化學方法合成了Co3O4納米顆粒（NP）[64]。首先，使用0.5克四水合醋酸鈷（CH3COO)2Co·4H2O（純度99%）……X射線衍射
Co3O4 NP、Ag NP以及C/Ag0.05、C/Ag0.15、C/Ag0.25納米異質結構的X射線衍射（XRD）結果如圖3所示。Co3O4 NP的衍射峰分別出現在19.2°、31.5°、37°、55.7°、59.5°和65.3°，對應于晶體平面（111）、（220）、（311）、（422）、（511）和（440），具體參考JCPDS卡片No. 00-042-1467 [67]。同樣，Ag NP的衍射峰出現在38.1°、44.5°、64.5°和77.5°，對應于晶體平面（111）、（200）、（220）和（311）。結論
據我們所知，本研究首次成功將抗菌功能集成到基于光纖的丙酮傳感器中，通過將Co3O4@Ag納米異質結構涂層沉積在蝕刻后的光纖探頭上實現。結構、形態和光學表征證實了銀在Co3O4基質中的有效摻入，SEM-EDX分析顯示元素分布均勻，表面特征有利于……
作者貢獻
KCN負責納米材料的制備、表征以及光纖的制造。KCN和AKS共同進行了光纖丙酮傳感實驗。KCN和SP進行了抗菌性能測試。KCN和AKS完成了COMSOL Multiphysics模擬。SJ審閱了手稿并在傳感實驗中提供了指導。SSM審閱了生物學結果并在抗菌研究中提供了指導。KCN分析了所有數據并起草了最終版本。作者貢獻聲明
卡努·查蘭·納亞克（Kanhu Charan Nayak）：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、可視化處理、驗證、方法論設計、實驗設計、數據分析、概念構建。阿肖克·庫馬爾·薩胡（Ashok Kumar Sahu）：撰寫 – 審稿與編輯、軟件開發、方法論設計、數據分析。蘇文杜·杰納（Shuvendu Jena）：撰寫 – 審稿與編輯、可視化處理、驗證、實驗監督、概念構建。斯里瑪伊·帕尼（Srimayee Pani）：撰寫 – 審稿與編輯、可視化處理、驗證、方法論設計、數據分析。薩斯瓦特·索拉夫（Saswat Sourav）：致謝
作者感謝貝蘭普爾大學納米科學與技術卓越中心（CoENSTds）的導師納巴·基肖爾·薩胡（Dr. Naba Kishore Sahoo）提供的寶貴建議。同時，我們也感謝奧里薩邦布巴內斯瓦爾（Bhubaneswar）的物理研究所和貝蘭普爾大學生物技術系的CoEBESO提供了用于DFT研究的高性能計算設施。特別感謝普蘭蘇·普拉格尼亞恩·達什（Pransu Pragnyan Dash）的幫助。
