量子场检测

2016年3月15日，昌平区环保局主持召开了“昌平区空气质量子站自动监测建设政府采购项目”验收评审会，建设单位昌平区环保局及专家组在现场勘验各个监测站点后，形成统一意见，认为我公司承建的空气质量监测子站满足招标文件要求，并严格依照合同执行，一致同意该项目通过验收。 　　“昌平区空气质量子站自动监测建设政府采购”项目，共设有三个空气质量监测站点，分别为：草莓园站、昌平区环保局站、阳坊站。　　同时，项目设置建设中心平台，用以接收以上三个空气监测子站的监测数据，进行数据分析与展示，为环境空气质量评估提供科学依据。中心站置于昌平环保局内机房，设置远程访问端口，可通过互联网对平台进行访问，实时查看三站的数据状态，进行站点管理。　　同时，监测子站设有报警系统，具有全面报警功能，如：查询功能、定时布防撤防、应用手机卡实现无线网络连接，分区布防，智能学习配件等；报警系统内置GSM卡模块，当主机发生报警时会自动拨打远程报警号码通知相关人员。 　　本项目是我公司在北京市辖区内承建的首个空气质量监测站项目，具有里程碑的意义。通过本项目中与专家组的深入沟通，公司项目组人员学习和总结了诸多宝贵经验，为公司后期实施同类项目打下了良好的基础。

此次，滨松光子学株式会社在日本国家研究开发法人新能源与产业技术开发组织（NEDO）主办的“实现IoT社会的创新传感技术开发”项目中，利用独自的微机电系统(MEMS)技术和光学封装技术，成功开发出世界上最小尺寸的波长扫描量子级联激光器(QCL)，其体积约为传统产品的1/150。通过将其与日本产业技术研究所开发的驱动系统结合，实现了高速操作和外围电路简化，同时作为光源安装在分析设备上，使可便携的小型分析设备的开发成为现实。在本开发项目中，我们提高了二氧化硫（SO2）和硫化氢（H2S）的探测灵敏度以及设备的维修性，目标是实现在火山口附近对火山气体成分的长期和稳定的检测。此外，它还可以应用于化工厂和下水道中有毒气体的泄漏检测和大气测量等。图1 世界上最小尺寸的波长扫描QCL，体积约为传统产品的1/150概要在火山爆发的前几个月，火山气体中的二氧化硫（SO2）或硫化氢（H2S）等浓度会开始逐渐上升，因此对该气体浓度的监测是火山爆发预测的常规方法。目前许多研究机构在火山口附近安装了电化学传感器分析设备，通过电极检测来实时分析火山气体的成分。但由于电极与火山气体的接触，容易出现寿命变短和性能降低的问题，因此除了定期更换部件等维护，监测的长期稳定性也是一个难题。这样，长寿命光源和全光学光电检测器分析设备则具有无需大量保养，还具有高灵敏度并长时稳定地进行成分分析的特点。目前因为光源的尺寸较大，尙难以将其安装在火山口附近。 在此背景下，滨松从2020年开始，参与了NEDO与产业技术综合开发机构(产综研)的“实现IoT社会的创新传感技术开发”※1项目，积极投入研究和开发具有全光学，小尺寸，高灵敏度和高可维护性特点的新一代火山气体监测系统。 滨松公司正在该项目中承担了分析设备光源的小型化任务，并成功开发出中红外光※2在7-8微米（μm，μ为百万分之一）范围内可高速改变输出功率的世界上最小尺寸波长扫描QCL（Quantum Cascade Laser）。※3（图1、图2、表）。本次新开发的产品是通过将其与产综研开发的驱动系统相结合，实现了高速操作和外围电路简化，作为光源安装在分析设备上，实现了可便携的小型化分析设备。此外，本项目的目标是进一步提高灵敏度和可维护性，实现长时间稳定地对火山口附近气体进行实时监测。同时也有望应用于化工厂和下水道的有毒气体泄漏检测和大气测量等用途。产品特点 1、开发了世界上最小的波长扫描QCL，体积约为传统产品的1/150。 公司利用独自的MEMS技术，对占据了QCL的大部分体积的MEMS衍射光栅※4进行完全的重新设计，成功开发出新的尺寸约为以前1/10的MEMS衍射光栅。此外，通过采用小型磁铁，减少了不必要的空间，并采用独特的光学封装技术，以0.1微米为单位的高精度实现部件的组装，实现了世界上最小的波长扫描QCL，其体积约为传统产品的1/150。 2、实现中红外光在波长7～8μm的范围内的周期性变化输出 滨松利用多年积累的量子结构设计技术※5通过搭载新开发的QCL元件，实现中红外光在易于吸收SO2或H2S的7-8μm的波长范围内的扫描输出。同时，我们还开发了可变波长QCL，可以从7-8μm范围内选择特定波长进行输出。 3、可高速获取中红外光的连续光谱 与产综研传感系统研究中心开发的驱动系统相结合，实现波长扫描QCL的高速波长扫描。它可以在不到20毫秒的时间内获取中红外光的连续光谱，可捕捉和分析随时间快速变化的现象。图2 波长扫描QCL的结构表 本次开发的波长扫描QCL的主要规格未来计划滨松公司将与NEDO和产综研进一步构建新型高灵敏度和高可维护性的火山气体监测系统，同时推进多点观测等实地测试。此外，公司将在2022年度内推出将该产品与驱动电路或与本司光电探测器相结合的模块化产品，以扩大中红外光的应用。 “注释” *1 实现IoT社会的创新传感技术开发 项目名称:实现IoT社会的创新传感技术开发 / 创新传感技术开发 / 波长扫描中红外激光器 研究开发新一代火山气体防灾技术 业务和项目简介：https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100151.html *2 中红外光 是一种波长比可见光长的红外光，一般把波长在4-10μm之间的红外光称为中红外光。 *3 波长扫描QCL（Quantum Cascade Laser） 量子级联激光器(QCL)是一种通过在发光层中采用量子结构，可以在中红外到远红外的波长范围内获得高输出功率的半导体激光光源。波长扫描量子级联激光器是将从量子级联激光器发出的中红外光进行分光，反射到MEMS衍射光栅，再通过对MEMS衍射光栅进行电控，使其的倾斜面发生快速变化，从而实现中红外光的波长快速变化并输出。 *4 MEMS衍射光栅 通过电流工作的小型衍射光栅。衍射光栅是一种利用不同波长的光衍射角度的差异来区分不同波长光的光学元件。 *5 量子结构设计技术 是一种利用纳米级超薄膜半导体叠层产生的量子效应的器件设计技术。在该开发中，滨松公司在QCL的发光层采用了独有的反交叉双重高能态结构（AnticrossDAUTM ）。

2023年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，美国麻省理工学院的蒙吉巴文迪（Moungi G. Bawendi）、美国纳米晶体科技公司的阿列克谢埃基莫夫（Alexei I. Ekimov）和美国哥伦比亚大学的路易斯布鲁斯（Louis E. Brus）荣膺2023年诺贝尔化学奖，表彰他们 “发现和合成量子点”的科学贡献。在当今的材料应用领域中，纳米科学技术发展中的多个里程碑式工作来自于量子点相关研究。量子点（Quantum dots， QDs）已经成为备受瞩目的技术革命之一。图1. 化学家Moungi Bawendi（左）、化学家Louis Brus（中）和物理学家Alexei Ekimov（右）一、量子点是什么？量子点是一类半导体纳米微晶（Semiconductor Nanocrystals），简单来说，量子点是肉眼看不到的、极其微小的无机纳米晶体，直径在2-10nm。每当受到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线，我们所看到的光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，一般来说，通过改变量子点晶体的尺寸可以改变发光颜色。具体而言，由不同的元素组成+量子点的方式进行命名，如“碳量子点”“硅量子点”。Alexei Ekimov是发现量子点的第一人，1981年他发现用氯化铜着色的玻璃，如果氯化铜颗粒大小不一样，玻璃颜色则会不一样，颗粒越小则越蓝，证实了量子点的尺寸发光效应。一般量子点颗粒越小，会吸收长波，颗粒越大，会吸收短波。比如2nm大小的量子点，可吸收长波，显示出蓝色。8nm大小的量子点，可吸收短波，呈现出红色。二、量子点在食品安全检测领域的应用因为量子点具有可调荧光和高光稳定性等独特特性，这些特性使其在食品安全检测中比传统荧光标记物更具优势。量子点的荧光可随尺寸和组成的改变而调节，从而实现对不同目标物的特异性检测。作为迄今为止人类发现的最优秀的发光材料，量子点已在食品安全检测领域展现出巨大潜力。首先，列举一些研究的范围：（1）检测食品中的食源性致病菌。目前，已确认30余种病原微生物可导致食源性疾病，其中细菌感染引发住院和死亡的人数最多。致病性大肠杆菌是一类常见的致病菌，是我国居民腹泻的首要病原菌，更是国际公认的卫生监测指示菌。目前有报道显示碳量子点（carbon quantum dots，CQDs）可用于检测大肠杆菌。也可以用于检测金黄色葡萄球菌、牛奶中沙门氏菌等。（2）检测食品中的生物毒素。生物毒素是生物机体分泌代谢或半生物合成的、不可自复制的有毒化学物质，由生物毒素引起的食物中毒已引起各国高度重视。目前有报道显示CQDs可用于黄曲霉毒素等的检测。（3）检测食品中的农药残留。（4）检测食品中的兽药残留。（5）检测食品中的重金属离子。（6）检测食品添加剂。量子点不仅在食品安全检测领域的研究工作很多，也有已经成型的检测仪器产品：（1）量子点微球荧光定量检测仪：通过将量子点包裹进纳米级微球中，制备出新型标记材料，能够实现对目标物的精准捕捉和定量检测。量子点微球荧光定量分析仪（力德力诺，点击图片可直达）量子点微球荧光定量分析仪的检测项目检测类别检测项检测样本真菌毒素黄曲霉毒素B1粮食、饲料原料、花生、油呕吐毒素粮食、饲料原料、花生、油玉米赤霉烯酮粮食、饲料原料、花生、油赭曲霉毒素A粮食、饲料原料、花生、油兽药残留氟苯尼考鸡肉、鸡蛋、鱼肉金刚烷胺畜禽组织、禽蛋氯霉素水产组织、蜂蜜恩诺沙星畜禽和水产组织呋喃唑酮水产组织、蜂蜜呋喃它酮蜂蜜氧氟沙星畜禽和水产组织孔雀石绿水产组织磺胺总量畜禽和水产组织农药残留多菌灵果蔬吡虫啉果蔬克百威果蔬啶虫脒果蔬多效唑果蔬腐霉利果蔬灭蝇胺果蔬（2）量子点荧光定量检测仪：应用竞争抑制免疫层析的原理，通过检测线荧光定量卡中的荧光强弱程度，定量分析真菌毒素、兽药残留、瘦肉精、抗生素、动物疫病、农药残留、临床检查项目等。量子点荧光定量检测仪（深芬仪器，点击图片可直达）量子点荧光定量分析仪检测项目：（1）真菌毒素残留类（黄曲霉毒素、呕吐毒素、玉米赤霉烯酮、赭曲霉毒素A等）。（2）激素残留类（莱克多巴胺、克伦特罗、沙丁胺醇、己烯雌酚等）。（3）水产品安全类（呋喃妥因代谢、呋喃西林代谢、呋喃它酮代谢、呋喃唑酮代谢、孔雀石绿、氯霉素）。（4）抗生素残留类（磺胺、喹诺酮、喹乙醇等）。（5）其他（食品有毒有害物质、非法添加物类、水质监测等）。另有晶格创研生物技术（北京）有限公司以及江西维邦生物科技有限公司也生产量子点荧光定量快速检测产品。三、展望量子点在食品安全检测领域的应用研究探索工作还在不断推进，相信未来会不断推出新的产品。另外，量子点成像芯片的研究在2024年也有了新的突破，据报道，2024年3月，光谷实验室联合科研团队（华中科技大学实验室、温州实验室）研发的胶体量子点成像芯片（也称“视觉芯片”）已实现短波红外成像。目前，已完成小试、中试，可大面积加工，兼容12寸CMOS晶圆制备工艺，同时成本极低，有望颠覆市场。在食品检测、半导体检测等工业应用中，基于短波红外成像的机器视觉如同机器的“眼睛”，具有重要意义。联合科研团队先后突破了材料-器件-电路-集成-系统5个关键环节，突破传统工艺限制，开拓全新工艺路线，低温一体化集成，开发研制出国内首款量子点红外成像样机，售价将只有国外的1%，成本大大降低。将这种“视觉芯片”装到手机、检测器上，可以“穿透”介质，看到肉眼看不到的“真相”。参考资料：神奇的纳米发光材料.朱邦尚.澎湃新闻，2023年11月18日碳量子点及其荧光探针在食品安全检测应用中的研究进展.杨茂杰等.食品科学，2023年44卷光谷实验室颠覆性技术突破，量子点芯片成本将降低90%以上.长江日报，2024年3月7日