當(dāng)顆粒物尺寸進(jìn)入納米尺度量級(jí)時(shí)，其極低的極化率使得實(shí)現(xiàn)高靈敏度的快速便捷檢測(cè)變得困難重重。而近日，北京大學(xué)物理學(xué)院“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”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，并將其用于大氣中超細(xì)顆粒物的檢測(cè)。

圖1 a、細(xì)顆粒物對(duì)人體健康的危害隨粒徑尺寸的關(guān)系；b、納米光纖傳感器示意圖。

傳統(tǒng)光纖傳感器已經(jīng)在高靈敏檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái)的研究表明：當(dāng)光纖直徑減小至光波長(zhǎng)量級(jí)時(shí)，光纖外部存在顯著的倏逝場(chǎng)，其尺度大約在百納米量級(jí)，對(duì)周圍環(huán)境的微弱變化極為敏感。研究團(tuán)隊(duì)利用顆粒物在納米光纖倏逝場(chǎng)中的散射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)顆粒物的傳感與尺寸分布測(cè)量。

該項(xiàng)工作中，課題組首先計(jì)算了散射效率與散射體尺寸和光纖直徑的關(guān)系，預(yù)測(cè)了納米光纖傳感器的最優(yōu)尺寸和探測(cè)極限；隨后根據(jù)理論預(yù)測(cè)，進(jìn)行了高靈敏度的納米光纖陣列的設(shè)計(jì)和制備，利用串聯(lián)的納米光纖大大提高了傳感器的傳感面積和檢測(cè)效率；通過(guò)優(yōu)化光纖模式，研究人員實(shí)現(xiàn)了單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯納米顆粒的傳感和測(cè)量，粒徑分辨率達(dá)10納米。

進(jìn)一步，考慮到空氣中百納米尺寸級(jí)別的細(xì)顆粒物的穿透性更強(qiáng)，對(duì)于人體具有更大的危害（如圖1），而公開的細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)（PM2.5）無(wú)法對(duì)此進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，實(shí)時(shí)快速測(cè)量細(xì)顆粒物的粒徑分布信息對(duì)空氣質(zhì)量的評(píng)價(jià)更具有指導(dǎo)作用。課題組利用光纖傳感器對(duì)2015年和2016年北京冬季大氣細(xì)顆粒物進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測(cè)，直接獲得了百納米尺度細(xì)顆粒物的粒徑分布信息，計(jì)算得到的細(xì)顆粒物濃度數(shù)據(jù)與官方公布數(shù)據(jù)趨勢(shì)符合良好（如圖2），充分展示了此成果的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 基于納米光纖的大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)。a、空氣顆粒物粒徑分布及其實(shí)時(shí)演化；b、空氣顆粒物質(zhì)量濃度(PM1.0)及官方數(shù)據(jù)(PM2.5)。空氣樣品實(shí)時(shí)采集于北京大學(xué)物理學(xué)院院內(nèi)。

研究成果發(fā)表在重要學(xué)術(shù)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(guó)立大學(xué)仇成偉教授。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。