便攜傳感器讓大(dà)氣中(zhōng)超細微粒無所遁形

大(dà)氣中(zhōng)超細顆粒物(wù)的檢測首次有了低成本便攜式利器。近日，北(běi)京大(dà)學物(wù)理學院肖雲峰研究員(yuán)和龔旗煌院士帶領的課題組，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(fēn)辨率首次達到10納米。

顆粒物(wù)的高靈敏傳感檢測在環境監控、國家安全和生(shēng)化研究等方面具有重要意義。基于光學方法的傳感技術具有非物(wù)理接觸、易于操作且靈敏度高等優勢，故而傳統光纖傳感器已在高靈敏檢測領域“大(dà)顯身手”。

“國際學術界研究表明，當光纖直徑減小(xiǎo)至光波長量級時，光纖外(wài)部産生(shēng)顯著的倏逝場（尺度約在百納米量級），其對周圍環境的微弱變化極爲敏感，因此，可利用顆粒物(wù)在倏逝場中(zhōng)的散射效應，實現對超細顆粒物(wù)的傳感與尺寸分(fēn)布測量。”

據介紹，在新研究中(zhōng)，他們首先精确地計算了散射效率與散射體(tǐ)尺寸和光纖直徑的關系，預測了納米光纖傳感器的最優幾何尺寸和探測極限；随後進行了高靈敏度的納米光纖陣列的設計和制備，并通過優化光纖模式，實現了單個标準聚苯乙烯納米顆粒的傳感和測量，粒徑分(fēn)辨率達10納米。

課題組利用這一(yī)傳感器對2015年和2016年北(běi)京冬季大(dà)氣細顆粒物(wù)進行了持續監測，直接獲得了百納米尺度細顆粒物(wù)的粒徑分(fēn)布信息及實時演化圖，以此數據爲基礎計算得到的細顆粒物(wù)質量濃度數據與官方公布的數據趨勢符合良好，展示了此成果具有較高的應用價值。

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(dà)氣中(zhōng)的超細顆粒物(wù)，有望爲環境保護和霧霾形成機理研究提供一(yī)種新的工(gōng)具。”

這項成果發表在重要光學期刊《光：科學與應用》上，研究得到了國家自然科學基金委、科技部等的支持。