基于NPLS 技术的气动光学畸变测量方法与应用

现有的气动光学畸变测量方法, 存在时空分辨率不高、受环境和积分效应影响等问题. 本文提出了一种新的超声速流场气动光学畸变测量方法, 基于自主开发的超声速密度场测量方法, 借助光线追迹法测量超声速流场某一截面对应的气动光学畸变. 与其他测量方法相比, 该方法有3 个显著的优点: (1) 高时空分辨率, 时间分辨率为6 ns, 空间分辨率最高可达微米量级; (2) 可避免传统方法的积分效应, 对感兴趣的局部流场进行研究; (3) 可避免风洞实验段壁面边界层和环境扰动等因素的影响. 采用该方法, 对超声速光学头罩流场的气动光学畸变进行了测量研究. 高时空分辨率的测量结果揭示了精细的波前畸变信息; 对局部流场的研究结果表明, 激波、膨胀波和湍流边界层对气动光学畸变有不同程度的影响; 测量范围的可控性, 使得测量结果免受风洞壁面边界层和环境等因素的影响.     

基于纳米机械振子的光学质谱仪

纳米机械振子具有超小的质量、超高的品质因数和振动频率以及其他优点,越来越受到人们的关注和认可.随着纳米科技的快速发展,纳米机械振子逐步进入到生物、化学、物理、医学等领域,成为科学研究工作者追求高质量和高性能材料的辅助系统.本文总结了本课题组近年来对纳米机械振子研究的一个重要应用:纳米光学质谱仪.在全光条件下,质量测量对象可为中性原子、质子、中子,也可为其他化学分子或生物分子等.我们提供的纳米机械振子材料为纳米碳管和石墨烯纳米带.研究发现,基于纳米机械振子的光学质谱仪与传统的电学质谱仪相比有很多优越性,如不会引发由电路引起的热效应和能量损失,基于质量测量的光学谱宽更窄等.与单束光探测方法相比,不受频率高低的限制.此研究工作提出的基于全光学的质量测量方案,打破了电学测量和单束光领域中的众多限制,有望更大程度地提高质量测量的灵敏度和准确度,为纳米测量领域提供一个新的平台.     

金纳米棒:性能、制备、修饰、生物成像技术及应用

随着生物医学的发展,对生物成像技术和成像分辨率的要求越来越高,纳米材料和技术被越来越多地应用到生物医学领域.各向异性的金纳米棒由于具有较高的电子密度、较大的吸收截面、特殊的表面等离子共振光学特性、优良的生物相容性和化学稳定性而被广泛应用于生物成像领域.本文结合本课题组在该领域的研究经验,综述了金纳米棒的制备方法、光学性能和表面修饰方法;并从金纳米棒局部等离子共振特性出发,综述了金纳米棒的暗场散射成像、双光子荧光成像、光声断层成像、光学相干断层扫描、X射线计算机断层扫描、表面增强拉曼散射成像等生物成像技术.同时阐述了金纳米棒在生物成像、医学诊断和联合治疗等领域中的应用进展.     

编者按

<正>纳米碳材料是过去30年间最为活跃的研究领域之一.富勒烯、碳纳米管、石墨烯等一系列碳质新材料先后被发现,带来了丰富的新结构、新现象、新物理和新应用,掀起并带动了持续至今的纳米科技研究热潮.纳米碳材料之所以受到广泛关注是因为其特有的几何结构、以sp2杂化为主的成键方式以及由此带来的优异的电学、力学、热学、光学等特性.例如,碳纳米管和石墨烯分别是已知最细和最薄的材料,具有远高于硅的载流子迁移率、最高的热导率和力学强度,以及优异的柔韧性.纳米碳材料的性能对结构变化极其敏感,如手性     

等离子激元纳米颗粒组装及其生物应用

近年来,通过自组装技术能够可控地将单个纳米颗粒组装成一维、二维或三维空间构象的新型复合材料.相对于单独的纳米颗粒,纳米颗粒组装材料可表现出许多新颖或优异的物理性质,具有巨大的应用前景,因此在纳米材料领域越来越受到关注并快速发展.尤其是贵金属纳米颗粒组装体具有独特的等离子激元光学性质,在生物传感、成像和治疗等方面具有广阔的应用前景.本文回顾了近年来通过分子介导方法对纳米颗粒进行组装及其生物应用的最新研究进展,重点介绍了几种分子介导的纳米颗粒组装技术,以及纳米颗粒组装体的生物医学应用,并展望了其发展前景.     

银/二氧化硅介孔复合体的半导体光学特性

将纳米尺度的粒子(半导体、化合物或金属)放入介孔固体的孔内形成所谓的介孔复合体,这种新型材料由于其许多独特的性能,在近几年受到较为广泛的注意.然而,金属/介孔固体复合体的半导体光学特性却尚未见报道.我们近来在研究银/二氧化硅介孔复合体的物理性质时,发现了这种材料具有直接带隙半导体的光学特性,并且其吸收边位置可由银的复合量在近紫外至整个可见光范围内控制.以正硅酸乙酯、乙醇、水为原料(摩尔比:1:4:15),采用溶胶凝胶工艺,用硝酸催化,制备出二氧化硅凝胶,经清洗、干燥,最后在600℃退火2ｈ,得到片状的整体介孔二氧化硅固体,孔隙…     

基于载能重离子的超薄薄膜纳米孔制备技术

超薄薄膜纳米孔材料由于其优异的物理和化学特性,在物理学、生物学、电子学和纳米科学等多学科领域应用潜力巨大.高效、便捷和可控的制孔方法对于获得高品质的纳米孔尤为重要,而载能重离子辐照不仅是一种强大的材料改性手段,也是一种独特的纳米孔制备方法.近年来,北京大学重离子物理研究所在基于载能重离子辐照技术研制超薄薄膜纳米孔技术方面的进展显著,所用材料包括传统有机高分子膜与新型二维材料.本文主要从核径迹刻蚀有机薄膜纳米孔的制备技术和二维材料纳米孔制备技术两方面展开介绍,分别阐述了这两种技术的制孔方法、改性方法和对应的纳米孔材料在能量转化、分子检测、离子运输、纳米流体等领域的应用,为进一步深入研究载能重离子制备其他人工固态纳米孔提供了参考.     

表面等离子体超衍射光学光刻

由于光波衍射特性,传统光学光刻面临分辨力衍射极限限制,成为传统光学光刻技术发展的原理性障碍.表面等离子体(surface plasmon,SP)是束缚在金属介质界面上的自由电子密度波,具有突破衍射极限传输、汇聚和成像的独特性能.近年来,通过研究和利用SP超衍射光学特性,科研人员提出和建立了基于SP的纳米干涉光刻、成像光刻、直写光刻等方法,在紫外光源和单次曝光条件下,获得了突破衍射极限的光学光刻分辨力.目前,基于SP成像结构,实验中获得了22 nm(~1/17波长)最高SP成像光刻线宽分辨力水平.SP将为发展高分辨、低成本、高效、大面积纳米光学光刻技术提供重要方法和技术途径.本文系统综述了SP光学光刻技术研究发展情况,总结和分析了技术发展现状、存在问题,并对其发展趋势和前景进行了展望.     

闭合式无线纳米孔电极检测单个外泌体

单个体电化学通过在限域电化学测量界面上检测单个纳米粒子、单个脂质体、单个细胞等的电化学特性,实现对单个体各向异性的研究.这种高度灵敏的电化学方法能够快速测量并区分纳米级单个体的大小和表面电荷等.目前,已在单颗粒催化、环境监测和细胞分析等领域得到应用.本研究通过使用尺寸可控的石英纳米孔作为模板,将贵金属金沉积在石英纳米孔尖端,以形成用于单个体测量的纳米级电化学限域界面,从而制备具有高灵敏度的闭合式无线纳米孔电极.利用该电极构建了单个体电化学测量体系,实现了单个外泌体的检测,获得了信噪比高达25.1的单个外泌体碰撞信号,电化学测量平均电流幅值为15.1 pA,单个信号持续时间为0.4 ms,从而实现了单个外泌体与纳米电极间动态相互作用的实时测量.     

封面说明

正自然界中的手性现象广泛存在.许多生物分子如氨基酸、核酸和糖等在紫外光区具有本征的光学手性.调控具有光学活性的金属纳米颗粒形成具有可设计的光学手性结构,将有利于丰富手性光学和手性结构的研究.近年来, DNA纳米技术为精确调控纳米粒子的空间排布提供了一种有效的方法,能够构建具有复杂几何结构的手性纳米结构.王强斌课题组以具有等离子体光学活性的贵金属纳米粒子为例,综述了利用DNA     

“纳米光镊装置”

一个只及头发丝万分之一粗的单分子,你如何感知它的运动方向和力量呢?现在你可以在中科大科学家研制的纳米光镊系统上亲自尝试DNA分子的折叠,以及与组蛋白的微小结合力的测量。这个装置名为“纳米光镊系统”,是由中科大激光生物实验室研制成功的,刚刚通过中科院组织的专家组的鉴定,它标志着我国纳米光镊技术获得了重大进展。“光镊技术”被称为无形的机械手,区别于日常有形的镊子,光镊是利用激光动量转移产生的辐射压力,形成具有梯度力场的光学陷阱,处在陷阱中的微粒受到梯度力场的作用,就被“钳住”。这个光学陷阱像是一把小镊子,因此被…     

基于纳米通道分析技术的电流检测系统

<正>纳米通道单分子检测技术受启发于Coulter计数法与单通道离子电流测量技术,自被提出以来得到了迅速的发展,受到了国内外广泛关注.作为一种研究单个分子行为的技术手段,纳米通道技术已经应用于研究DNA损伤、分析单个多肽结构及蛋白质构型、探测识别单个DNA与靶分子间相互作用、有机小分子化合物和水体中金属离子超灵敏检测等方面,通     

石墨烯片层孔道设计及其结构调控

石墨烯——最薄的二维碳材料,因其具有卓越的机械、光学、电子和热性能,使其在复合材料、电子器件、能源储存和吸附分离等许多领域都具有广泛的应用.石墨烯筛(graphene nanomesh)作为一种在石墨烯片层引入纳米孔的多孔石墨烯,除了具有石墨烯本身固有的特性之外,其可调控的孔结构设计为石墨烯筛功能性应用提供了新的选择.本文综述了常见的石墨烯筛合成方法并展望了其未来发展前景.     

固态纳米孔中DNA分子再捕捉的探测和分析

<正>基于纳米孔的单分子测控技术有望为实现廉价而快速的个体基因测序提供关键的物理基础.固态纳米孔因其与现代微加工技术兼容及可实现器件高度集成而尤其受到关注.然而,利用固体纳米孔实现单个DNA分子的测序目前仍有几个关键的困难需要克服.其一即为单个DNA分子在纳米孔中运动的控制.通过对单个DNA分子的再捕捉可以揭示其在纳米孔中的动力学特征,并且通过进一步发展该技术将有望在碱基分辨中显著提高信     

光谱光电并行采集技术的两点新发展

目前,光谱测量技术主要向灵敏、精密、快速、快变化时间谱和空间谱分布测量等方向发展.基于串行检测的各类光电分光光度计,不同波长谱线的强度测量是不同时的;改变测量波段需要时间,从而不易解决快速问题;无法解决时间谱和空间谱测量问题;这些都是使单色仪型光谱设备无法继续发展的致命问题.解决上述问题的最好办法,是采用并行测量技术另外,并行采谱技术还具有能获得同时谱、谱空间分布等重要优点.但原有光谱并行采集设备——摄谱仪却存在灵敏度低、测量手续多、实际速度慢等缺点.因此发展了光电光谱并行采集技术,光学多道分析仪(简称OMA)是其典型代表.OMA利用了光电技术、计算机技术、光谱技术的精华,已是集光谱采集、处理、存储、显示于一身的,有快速、灵敏等许多优点的先进通用光谱测量设备,但在系统分辨率和同时谱宽方面却大不如上述的两类传统仪器.例如,现有OMA同时谱宽若为30～60nm者,分辨极限只有0.2nm左右.相比分辨极限可小于纳米,同时谱宽可为数百纳米的摄谱仪,或相比异时谱宽可很大、分辨极限也不小的单色仪型设备,这样的指标大大限制了其应用范围.     

结构光三维重建系统中投影仪的标定

在机器视觉测量中,由于结构光三维重建技术具有高准确性、低成本、快速、易于操作等优点,而成为一种越来越重要的主动式非接触光学测量方法.其中,结构光投射器——投影仪作为该技术中的主要部件,其标定参数的准确性直接影响系统测量精度.本文总结了近年来经常使用的投影仪标定方法,从标定模型、参数优化方法、参数计算方法和数据获取方法四方面进行阐述,并重点总结了数据获取方法,进而分析和比较了各种方法的优缺点及其应用,最后给出其发展前景.     

并联的微波代替法测量微波衰减

衰减是微波测量中的基本被测量之一。目前广泛采用的测量方法是代替法。根据标准衰减器的不同,代替法可分为微波代替法、中频代替法和低频或直流代替法。中频代替法虽有许多优点,但要求频率稳定度较高,并且变频的直线性限制了可以精确测量的最大衰减约为50分贝,低频代替法也因晶体检波律的限制,可测的最大衰减约为40分贝。现有的微波代替法是串联代替法。在这个方法中,标准衰减器和被测衰减器串联;测量时,调节两个衰减器使其衰减量的和恒为常数,输出指示保持不变,因此不受检波指示系统的线性限制,对能源的频率稳定度要求不高,可测衰减达70分贝;     

声子极化激元的电子能量损失谱研究进展

声子极化激元是晶体中的光学支声子与电磁波耦合形成的元激发,具有独特的中远红外介电响应、低损耗等特性,在波导、超透镜、增强的能量感应与传输等方面展现了巨大的应用潜力,因此近年来发展迅速.声子极化激元的主要实验研究手段是扫描近场光学显微镜技术,但由于缺乏合适的光源,目前在远红外波段的研究严重受限.此外,光子与声子之间大的动量失配问题也限制了光学显微镜激发大动量的声子极化激元.本文介绍了近年来扫描透射电子显微镜电子能量损失谱技术在研究声子极化激元方面的主要进展.相比于近场光学方法,电子能量损失谱具有大动量转移、宽频激发与探测、高空间分辨能力、高激发探测效率、多模式激发等优点,并且能在自支撑样品上测量,避免衬底影响.因此,基于此,研究人员取得了一系列重要研究成果,该方法已成为近场光学方法很好的补充.本文简要总结以上研究进展,并对下一步的研究前景进行了展望.     

手性无机纳米粒子:生物应用的新机遇

近年来,以手性生物分子和无机纳米粒子为基元构建的手性纳米结构因其具有新颖而独特的物理化学性质受到研究人员的广泛关注.手性分子与无机纳米粒子的耦合实现了手性从分子尺度向纳米尺度的跨越,将为光学和生物应用带来新的机遇.本文介绍了生物分子诱导的半导体纳米粒子的手性,系统阐述了手性无机纳米结构的构筑及光学性质,对手性纳米粒子的生物效应进行了简要介绍,并展望了手性纳米结构未来发展的前景和挑战.     

金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用

金属纳米结构的表面等离子体光学在光催化、纳米集成光子学、光学传感、生物标记、医学成像、太阳能电池, 以及表面增强拉曼光谱等领域有广泛的应用前景, 这些功能和金属纳米结构与光相互作用时产生的表面等离子体共振密切相关. 本文简单回顾国际上该领域过去十来年的一些重要研究进展和当前发展的前沿动态, 重点介绍我们课题组近年来在金属纳米颗粒和纳米结构的表面等离子体光学理论和实验研究上取得的一些成果. 同时还介绍了我们课题组目前在表面等离子体光学研究方面的若干新思路, 包括表面等离子体共振放大、紫外波段光学天线、纳米天线光学双稳态、表面等离子体辅助的量子相互作用等. 通过这些经验和教训的介绍与讨论, 期望能够达到抛砖引玉的目的, 与国内同行来共同探讨表面等离子体光学结构是如何在纳米尺度上实现对光的各种性质的调控和利用的, 并向等离子体光学的未知领域开拓进取.