納米光子學
一種能夠實地監測100nm顆粒物的微型納米纖維光學傳感器，這種裝置的時空解析度高，可提高我們跟蹤空氣品質的能力。
Judith Su
亞利桑那大學生物工程系及光學科學院（Department of Biomedical Engineering andCollege of Optical Sciences, University of Arizona）
根據世界衛生組織（WHO）和世界銀行最近的數據，全球由於空氣汙染造成的巨大健康損害和經濟成本估計分別為每年7百萬例死亡和2013年的2,250億美元。2並且，空氣汙染程度還在繼續加劇，世界上92%的人口居住在達不到WHO空氣品質準則要求的環境中。3在美國，環保局（EPA）對六種空氣汙染物標準做出了規定，其中一種為顆粒物（PM）。4雖然已經有了可攜式傳感器，用於監測直徑小於2.5微米的顆粒物，即：PM 2.5，但用於監測直徑小於100nm的超細顆粒的微型傳感器開發卻很落後。EPA未對這種顆粒物予以監測。這種顆粒物由於顆粒很小，因此能夠直接進入肺部或大腦，並與癌症和老年痴呆症、以及其他疾病存在聯繫。5超細顆粒的主要來源為汽車、燃燒和工業排放。6儘管細顆粒和超細顆粒導致的空氣汙染程度7存在局部差異，但在美國達到或超過一百萬人的城市中，空氣監測系統太少，大約只有2-3個站點。另外，這種監測系統的體積龐大（圖1），安裝起來很笨重，也很昂貴，大約需要$6,000-$36,0009，並且受到諸如樹木等局部因素的影響，使其測量值可能無法代表僅有幾個街區之遙的地方的空氣品質。有必要採用一種個人可用、低成本、便攜、靈敏且能夠在實際中長期、連續、定期監測環境的系統。
圖1：美國亞利桑那州圖森市的一個空氣監測站。這種監測站吸入空氣，利用一個撞擊取樣機確定顆粒物尺寸，通過一個過濾器收集PM 2.5顆粒物，對過濾器稱重，確定空氣樣本中的PM 2.5顆粒物質量。由於空氣汙染存在很大的時空差異，因此需要一種能夠全天監測環境的可攜式傳感器。
儘管存在對個人傳感器的這種需求，但往往需要在傳感器的尺寸和靈敏度之間進行權衡。9與移動可攜式系統相比，大型固定式監測站提供的監測數據更精確。來自北京大學的肖雲峰（Yun-Feng Xiao）團隊發明了一種靈敏蛇形微型納米光纖傳感器，能夠用於開放環境中。10這種傳感器能夠對小於100nm的顆粒計數並確定其尺寸，這種顆粒屬於超細顆粒。另外，肖的傳感器的尺寸解析度達到10nm，這意味著這種傳感器能夠監測較小的顆粒。由於納米纖維傳出的光量與顆粒之間能夠相互影響，因此，傳感器能監測到的顆粒尺寸上限為1µm，這使得這種傳感器能夠監測PM1.0全範圍內的顆粒，試驗得出的經驗表明，這種顆粒與PM 2.5顆粒物的濃度存在關聯。
隨著顆粒的沉降，在光線中傳輸的光學功率逐步減低，蛇形納米光纖傳感器通過監測這種光學功率的逐步降低，測量顆粒物濃度。這種功率變化與沉降在光纖上的顆粒尺寸有關，這種關係遵守瑞利-甘斯散射理論。11納米光纖的蛇形結構有助於提高傳感器的捕獲面積。除了監測和計數特定尺寸範圍內的顆粒（PM2.5, PM1.0等），肖的傳感器還能提供高精度顆粒信息，有助於更好地確定汙染成分和健康危害之間的關係，為未來的環境監管提供信息。
利用這種傳感器在北京監測顆粒物，幾個月的使用顯示，其結果與北京市環境監測中心的官方數據吻合良好，這表明，這種傳感器可用於在現實中長期用於監測。在試驗中，每幾個小時採集一次測量值。與其他精密顆粒監測系統不同12，肖雲峰（Yun-Feng Xiao）的傳感器不需要採用可調諧雷射器，因此這種傳感器價格更低、更易於攜帶。
未來的空氣汙染監測技術趨勢是：低成本，具有化學特異性，靈敏，全天候，移動傳感器陣列，可穿戴、或者能夠連接在現有基礎設施上（圖2）。如果一起組合使用，這種傳感器能夠通過一幅室外汙染物水平「眾包」地圖，形成預警網絡。這種傳感器能耗低，能夠在動態且惡劣的環境中連續長期實時監測汙染物。另外，還需要解決諸如數據存儲、管理、發布和隱私等問題。這種傳感器能夠提供充分的超本地空氣品質信息，如：使用家用化學品產生的汙染物，或者汽車駕駛艙內的空氣汙染物。採集的數據可用作健康指標數據，並可用於迅速告知公眾相關的疾病風險，如：哮喘、支氣管炎、癌症和阿爾茨海默症。
圖2 超細顆粒能夠直接進入肺部和大腦，導致癌症和老年痴呆症。a. 一種微型蛇形納米光纖傳感器，能夠監測100nm的顆粒達一個月。b. 一種未來可穿戴空氣汙染監測系統，能夠做成臂章或智能手錶，跟蹤個人汙染物暴露水平。
參考文獻
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