光纖傳感器讓大氣中超細微粒無所遁形

　　大氣中超細顆粒物的檢測首次有了低成本便攜式利器。近日，北京大學(xué)物理學(xué)院肖云峰研究員和龔旗煌院士帶領(lǐng)的課題組，成功制備了基于納米光纖陣列的全光傳感器，新傳感器的單顆粒粒徑分辨率首次達到10納米。

顆粒物的高靈敏傳感檢測在環(huán)境監(jiān)控、國家安全和生化研究等方面具有重要意義。基于光學(xué)方法的傳感技術(shù)具有非物理接觸、易于操作且靈敏度高等優(yōu)勢，故而傳統(tǒng)光纖傳感器已在高靈敏檢測領(lǐng)域“大顯身手”。

　　肖云峰對科技日報記者解釋：“國際學(xué)術(shù)界研究表明，當光纖直徑減小至光波長量級時，光纖外部產(chǎn)生顯著的倏逝場（尺度約在百納米量級），其對周圍環(huán)境的微弱變化極為敏感，因此，可利用顆粒物在倏逝場中的散射效應(yīng)，實現(xiàn)對超細顆粒物的傳感與尺寸分布測量。”

　　據(jù)肖云峰介紹，在新研究中，他們首先精確地計算了散射效率與散射體尺寸和光纖直徑的關(guān)系，預(yù)測了納米光纖傳感器的最優(yōu)幾何尺寸和探測極限；隨后進行了高靈敏度的納米光纖陣列的設(shè)計和制備，并通過優(yōu)化光纖模式，實現(xiàn)了單個標準聚苯乙烯納米顆粒的傳感和測量，粒徑分辨率達10納米。課題組利用這一傳感器對2015年和2016年北京冬季大氣細顆粒物進行了持續(xù)監(jiān)測，直接獲得了百納米尺度細顆粒物的粒徑分布信息及實時演化圖，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計算得到的細顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)與官方公布的數(shù)據(jù)趨勢符合良好，展示了此成果具有較高的應(yīng)用價值。

　　龔旗煌院士說：“與其他傳感器相比，納米光纖型傳感不僅精度高，且成本低、操作簡單、便于攜帶，可快速精準地檢測出大氣中的超細顆粒物，有望為環(huán)境保護和霧霾形成機理研究提供一種新的工具?！边@項成果發(fā)表在重要光學(xué)期刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》上，研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部等的支持。

（來源：科技日報 記者：劉霞）