便携传感器让大气中超细微粒无所遁形

大气中超细颗粒物(wù)的检测首次有(yǒu)了低成本便携式利器。近日，北京大學(xué)物(wù)理(lǐ)學(xué)院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，新(xīn)传感器的单颗粒粒径分(fēn)辨率首次达到10纳米。

颗粒物(wù)的高灵敏传感检测在环境监控、國(guó)家安全和生化研究等方面具有(yǒu)重要意义。基于光學(xué)方法的传感技术具有(yǒu)非物(wù)理(lǐ)接触、易于操作且灵敏度高等优势，故而传统光纤传感器已在高灵敏检测领域“大显身手”。

“國(guó)际學(xué)术界研究表明，当光纤直径减小(xiǎo)至光波長(cháng)量级时，光纤外部产生显著的倏逝场（尺度约在百纳米量级），其对周围环境的微弱变化极為(wèi)敏感，因此，可(kě)利用(yòng)颗粒物(wù)在倏逝场中的散射效应，实现对超细颗粒物(wù)的传感与尺寸分(fēn)布测量。”

据介绍，在新(xīn)研究中，他(tā)们首先精确地计算了散射效率与散射體(tǐ)尺寸和光纤直径的关系，预测了纳米光纤传感器的最优几何尺寸和探测极限；随后进行了高灵敏度的纳米光纤阵列的设计和制备，并通过优化光纤模式，实现了单个标准聚苯乙烯纳米颗粒的传感和测量，粒径分(fēn)辨率达10纳米。

课题组利用(yòng)这一传感器对2015年和2016年北京冬季大气细颗粒物(wù)进行了持续监测，直接获得了百纳米尺度细颗粒物(wù)的粒径分(fēn)布信息及实时演化图，以此数据為(wèi)基础计算得到的细颗粒物(wù)质量浓度数据与官方公布的数据趋势符合良好，展示了此成果具有(yǒu)较高的应用(yòng)价值。

龚旗煌院士说：“与其他(tā)传感器相比，纳米光纤型传感不仅精度高，且成本低、操作简单、便于携带，可(kě)快速精准地检测出大气中的超细颗粒物(wù)，有(yǒu)望為(wèi)环境保护和雾霾形成机理(lǐ)研究提供一种新(xīn)的工具。”

这项成果发表在重要光學(xué)期刊《光：科(kē)學(xué)与应用(yòng)》上，研究得到了國(guó)家自然科(kē)學(xué)基金委、科(kē)技部等的支持。