科研資訊

中國科學技術大學研究團隊成功研制出分布式光纖地震傳感設備

中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心陳旸、趙東鋒團隊與地球和空間科學學院王寶善、姚華建團隊合作，成功研制出具有自主知識產權的分布式光纖聲波/振動傳感（DAS）系統(tǒng)，該設備可使用現(xiàn)有通信光纜進行地震監(jiān)測、地質災害預測、地下結構成像、城市地下空間探測等。

DAS設備自2021年6月部署在合肥紫蓬山進行連續(xù)觀測以來，已成功監(jiān)測到6月4日安徽定遠2.3級地震、7月22日安徽宣城2.7級地震、7月24日菲律賓6.6級地震、8月5日臺灣省宜蘭縣5.8級地震等。

研究團隊通過對DAS專用激光光源、后向瑞利散射光與本振光的相干探測、拍頻信號相位解調以及系統(tǒng)軟件算法等關鍵技術進行攻關，研制成用于高分辨率地震監(jiān)測和成像的分布式光纖聲波/振動傳感設備。該設備監(jiān)測頻率范圍為10 mHz～20 kHz，定位精度為3.5 m，監(jiān)測長度達40 km。該系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的通信光纜進行地震監(jiān)測、地質災害預測和城市地下空間探測等，服務國家防災減災重大需求和城市規(guī)劃發(fā)展。

中科院發(fā)展出融合水環(huán)境模擬與圖像分析的水體濁度新型監(jiān)測方法

水體濁度/透明度是影響河湖水生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素，對其進行高效快捷監(jiān)測是水環(huán)境管理的迫切需求。中科院南京地理與湖泊研究所黃佳聰、高俊峰等發(fā)展出一種針對河湖水體濁度的新型監(jiān)測方法，該方法深度融合了貝葉斯實時建模與圖像分析等交叉學科的研究技術，構建了基于后臺數(shù)據(jù)庫實時提升濁度監(jiān)測可靠性的創(chuàng)新模式，實現(xiàn)了基于不同型號手機圖像的水體濁度高效快捷監(jiān)測，拓展了水環(huán)境模擬技術在水質監(jiān)測領域的應用。

研究工作得到中科院青年創(chuàng)新促進會、國家自然科學基金等的支持。2021年8月，該研究成果以“A Novel Framework to Predict Water Turbidity Using Bayesian Modelling”為題發(fā)表在Water Research上。

通過對長江、黃河、珠江、太湖等河湖的野外現(xiàn)場校驗結果表明，該方法可有效監(jiān)測河流、湖泊、溝塘等自然水體的濁度。與傳統(tǒng)監(jiān)測方法（濁度儀等）相比，新型監(jiān)測方法具有高效便捷、監(jiān)測精度智能提升的優(yōu)勢，有望在監(jiān)測儀器自主研發(fā)、水環(huán)境智能監(jiān)測、環(huán)境大數(shù)據(jù)挖掘等領域發(fā)揮重要作用。

山東大學發(fā)布極限測溫超過2000 ℃的超高溫傳感器

山東大學晶體材料國家重點實驗室與中北大學研究團隊合作，通過第一性原理計算輔助材料設計并利用激光加熱基座技術（LHPG），成功制備出高熔點（＞2100 ℃）、大長徑比的尖晶石結構MgAl2O4及其格位摻雜的系列單晶光纖，并將其作為超聲波導光纖，成功研制出測溫極限＞2000 ℃的抗氧化高溫傳感器，為惡劣環(huán)境下超高溫探測開辟了嶄新的發(fā)展思路和技術途徑。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、引智基地和晶體材料國家重點實驗室等支持。相關研究成果以“Design and Directional Growth of (Mg1-xZnx)(Al1-yCry)2O4Single-Crystal Fibers for High-Sensitivity and High-Temperature Sensing Based on Lattice Doping Engineering and Acoustic Anisotropy”為 題，2021年7月30日發(fā)表于材料科學領域國際著名期刊

Advanced Functional Materials。

研究團隊將抗氧化的MgAl2O4不同型號單晶光纖與超聲波導測溫技術相結合，彌補了傳統(tǒng)貴金屬熱電偶測溫技術在強氧化環(huán)境中穩(wěn)定性較差、成本高等的材料短板，以及紅外測溫技術背景輻射干擾大、難以精準探查物體內部溫度等局限性。

該研究通過設計晶體光纖的格位組分和結晶取向，優(yōu)化了單晶光纖的高溫聲學特性，大幅提升了傳感器的靈敏度及分辨率。該高溫傳感器在500 ℃下的溫度分辨率為1 ℃，1200 ℃下的溫度分辨率可達0.74 ℃，其性能隨溫度升高呈明顯上升趨勢，展現(xiàn)出該材料體系在超高溫環(huán)境下的巨大應用潛力。

深圳先進院在可調諧碳點發(fā)光及可視化pH傳感研究中獲進展

2021年7月23日，中 國 科 學 院深圳先進技術研究院生物醫(yī)學與健康工程研究所微納中心金宗文團隊在Chemistry of Materials上發(fā)表了以“Red/Green Tunable-Emission Carbon Nanodots for Smart Visual Precision pH Sensing”為題的最新研究成果。該研究工作得到了深圳市基礎研究面上基金、深圳市可持續(xù)發(fā)展計劃、陜西省自然科學基金、國家自然科學基金、中國博士后基金等項目的支持。

研究人員從有機化學的角度證實了可以從源頭上通過簡單修改碳源的分子結構（僅引入甲基或者叔丁基）調節(jié)最終碳點的發(fā)光性質，最終優(yōu)化得到的碳點材料表現(xiàn)出罕見的極酸敏感性。通過簡單調節(jié)pH值為1、2 或 3，所得碳點溶液依次呈現(xiàn)易分辨的紅色、橙色、綠色熒光變化，可實現(xiàn)裸眼可視化pH檢測。易區(qū)分的顏色變化結合比率計式熒光光譜變化，提高了裸眼檢測分辨率（分辨率高達0.2 pH單位），遠高于目前商用精密pH試紙的分辨率。

結合智能手機，研究人員進一步開發(fā)出了一種便攜式、低成本、快速、精準的pH檢測方法，可滿足即時檢測 （POCT）的要求。此外，鑒于紅、橙、綠三色熒光的可逆可調，一種簡單但有效的“分子信號交通燈”也被設計出來。結合其獨特的pH依賴光致發(fā)光特性，該碳點被進一步應用于防偽和信息加密領域，并實現(xiàn)了“閱后即焚”等加密技術。

俄羅斯科研人員用納米圓盤制成柔性光學傳感器，可監(jiān)測結構中的變形

俄羅斯克拉斯諾亞爾斯克科學中心和西伯利亞聯(lián)邦大學的科研人員從理論上研究納米圓盤二維光柵光學特性，并提出可監(jiān)測結構形變的光學傳感器模型。該研究成果發(fā)表在《納米材料》雜志上。

該設備的工作原理基于在變形過程中結構諧振波長的變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，光柵在兩個相互垂直的方向被壓縮和拉伸時的光學反應不同，被壓縮時，共振波長沒有變化，但被拉伸時，可以觀察到產生移動。這種器件的靈敏度由結構變形系數(shù)相對于諧振波長的差異決定。

該設備應用范圍決定了其必須具有高彈性，因此，研究人員建議將納米顆粒置于凝膠基質中或植于柔性基材上，例如聚二甲基硅氧烷薄膜上。利用這些高彈性材料，使傳感器看起來像軟物質或活體組織，根據(jù)光柵的變化和相應的光譜偏移，監(jiān)測結構變形。

這種結構利用其光柵變形進行監(jiān)測，而納米粒子本身沒有發(fā)生改變，從而保證其高靈敏度。采用此種方法，極大地減少了設備技術難度，并且降低了成本。

日本研發(fā)出小型化、集成化的量子傳感器

由東京工業(yè)大學和產業(yè)技術綜合研究所組成的研究團隊，成功研發(fā)出使金剛石制造的量子傳感器實現(xiàn)小型化和集成化的技術，該技術能夠捕捉到非常微小的磁力變化。

在技術層面，量子傳感器使用了以金剛石作為原材料的半導體元件制造技術，能夠通過電信號讀取到微小的磁力變化數(shù)值。實驗顯示，上述半導體元件受激光照射而產生的電流會因磁力作用而發(fā)生變化，這就確認了量子傳感器功能得以實現(xiàn)。

由于上述用金剛石制造的量子傳感器能夠對大腦或神經活動產生的微小磁力變化進行檢測，所以將有望應用于對大腦狀態(tài)及大腦活動進行深入精細的研究，以闡明大腦活動機理，預防神經性疾病。