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极端光学创新研究团队在超精细颗粒物检测应用研究取得新进展
2018.03.12   点击98次

颗粒物的高灵敏传感检测在环境监控、国家安全和生化研究等方面具有重要意义。近日,北京大学“极端光学创新研究团队”肖云峰研究员和龚旗煌院士带领的课题组,成功制备了基于纳米光纤阵列的全光传感器,并将其用于大气中超细颗粒物的检测。

图1. a,细颗粒物对人体健康的危害随粒径尺寸的关系。b,纳米光纤传感器示意图。

当颗粒物尺寸进入纳米尺度量级时,其极低的极化率使得实现高灵敏度的快速便捷检测变得困难重重。基于光学方法的传感技术具有非物理接触、非破坏、抗电磁干扰、易于操作且灵敏度高等特点,成为高灵敏传感研究的热门方向之一。传统光纤传感器已经在高灵敏检测领域得到了广泛应用。近年来的研究表明:当光纤直径减小至光波长量级时,光纤外部存在显著的倏逝场,其尺度大约在百纳米量级,对周围环境的微弱变化极为敏感。研究团队利用颗粒物在纳米光纤倏逝场中的散射效应,实现了超细颗粒物的传感与尺寸分布测量。

该项工作中,课题组首先计算了散射效率与散射体尺寸和光纤直径的关系,预测了纳米光纤传感器的最优尺寸和探测极限;随后根据理论预测,进行了高灵敏度的纳米光纤阵列的设计和制备,利用串联的纳米光纤大大提高了传感器的传感面积和检测效率;通过优化光纤模式,研究人员实现了单个标准聚苯乙烯纳米颗粒的传感和测量,粒径分辨率达10纳米。

进一步,考虑到空气中百纳米尺寸级别的细颗粒物的穿透性更强,对于人体具有更大的危害(如图1),而公开的细颗粒物质量浓度数据(PM2.5)无法对此进行有效评价,实时快速测量细颗粒物的粒径分布信息对于空气质量的评价更具有指导作用。课题组利用光纤传感器对2015年和2016年北京冬季大气细颗粒物进行了持续监测,直接获得了百纳米尺度细颗粒物的粒径分布信息,计算得到的细颗粒物浓度数据与官方公布数据趋势符合良好(如图2),充分展示了此成果的应用价值。

图2. 基于纳米光纤的大气质量监测。a,空气颗粒物粒径分布及其实时演化;b,空气颗粒物质量浓度(PM1.0)及官方数据(PM2.5)。空气样品实时采集于北京大学物理学院院内。

研究成果发表在重要学术期刊Light: Science & Applications上。第一作者是北大“博雅博士后”俞骁翀。合作者包括新加坡国立大学仇成伟教授。研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等的支持。

北京大学
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