當顆粒物尺寸進入納米尺度量級時，其極低的極化率使得實現高靈敏度的快速便捷檢測變得困難重重。而近日，北京大學物理學院“極端光學創新研究團隊”肖云峰研究員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，并將其用于大氣中超細顆粒物的檢測。
圖1 a、細顆粒物對人體健康的危害隨粒徑尺寸的關系；b、納米光纖傳感器示意圖。
傳統光纖傳感器已經在高靈敏檢測領域得到了廣泛應用。近年來的研究表明：當光纖直徑減小至光波長量級時，光纖外部存在顯著的倏逝場，其尺度大約在百納米量級，對周圍環境的微弱變化極為敏感。研究團隊利用顆粒物在納米光纖倏逝場中的散射效應，實現了超細顆粒物的傳感與尺寸分布測量。
該項工作中，課題組首先計算了散射效率與散射體尺寸和光纖直徑的關系，預測了納米光纖傳感器的最優尺寸和探測極限；隨后根據理論預測，進行了高靈敏度的納米光纖陣列的設計和制備，利用串聯的納米光纖大大提高了傳感器的傳感面積和檢測效率；通過優化光纖模式，研究人員實現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。
進一步，考慮到空氣中百納米尺寸級別的細顆粒物的穿透性更強，對于人體具有更大的危害（如圖1），而公開的細顆粒物質量濃度數據（PM2.5）無法對此進行有效評價，實時快速測量細顆粒物的粒徑分布信息對空氣質量的評價更具有指導作用。課題組利用光纖傳感器對2015年和2016年北京冬季大氣細顆粒物進行了持續監測，直接獲得了百納米尺度細顆粒物的粒徑分布信息，計算得到的細顆粒物濃度數據與官方公布數據趨勢符合良好（如圖2），充分展示了此成果的應用價值。
圖2 基于納米光纖的大氣質量監測。a、空氣顆粒物粒徑分布及其實時演化；b、空氣顆粒物質量濃度(PM1.0)及官方數據(PM2.5)。空氣樣品實時采集于北京大學物理學院院內。
研究成果發表在重要學術期刊Light: Science & Applications上。第一作者是北大“博雅博士后”俞驍翀。合作者包括新加坡國立大學仇成偉教授。研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。
