波谱啸叫频段测试

高灵敏度、小型化的超声探测器在诸多方面发挥着重要应用，例如医学诊断、光声成像、无损检测等。目前，商用的超声波探测器主要采用压电换能器，但为了实现较高的灵敏度，往往需要较大的尺寸，其传感器的典型尺寸一般为毫米到厘米。 　　近些年来，随着微纳光电技术的发展，在硅芯片上微加工制备得到的光学超声波探测器可同时实现较高的灵敏度和空间分辨率。其中，微腔光力系统由于其高灵敏度、宽带宽、低功耗和易于集成等优越特性，引起越来越多的关注。由于微腔光力系统中的较强光力相互作用，微腔的机械位移可以通过光学共振信号来敏感读出。由于机械共振增强了响应，且光学共振可增强读出灵敏度，因此微腔光力系统已被证实是位移、质量、力、加速度、磁场和声波等物理量的高灵敏探测理想平台。 　　前期工作中，研究人员已在各种体系的光学微腔中实现超声波/声波的探测，例如二氧化硅微腔、聚合物微腔、硅微腔等。多数超声波探测是在液体环境中实现的。而在空气环境中，由于超声波吸收损耗大，且声源/空气界面处的阻抗失配大，高灵敏度的超声波探测依然颇具挑战。前期工作中，空气耦合的超声波探测只在1 MHz以下频段实现。空气耦合的超声波探测在一些特定场景中具有重要应用，例如气体光声光谱和非接触式超声医学成像等。 　　为了提高空气耦合的超声波探测灵敏度，并拓展探测频率范围，近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究人员使用微芯圆环腔演示了在MHz频率范围内的空气耦合高灵敏度超声波探测。 在该工作中，研究人员通过光刻、氢氟酸腐蚀、氟化氙刻蚀、二氧化碳激光回流的微加工工艺，制备了带有较细的硅基座的微芯圆环腔，从而减少来自衬底的机械运动的约束，获得了在2.56 MHz的一阶拍动模式下约700的高机械品质因子，同时光学品质因子达到107以上。凭借较高的光学和机械品质因子，以及与超声波具有较大空间重叠的2.56 MHz的一阶拍动模式，他们在机械模式附近0.6 MHz的频率范围内实现了仅受热噪声限制的灵敏度，在0.25-3.2 MHz的频率范围内实现了46 μPa/Hz1/2-10 mPa/Hz1/2的灵敏度。此外，他们在机械共振频率下利用超声波驱动传感器时观察到了二阶和三阶机械边带，通过测量不同超声波压强(P)下的信噪比(SNR)，发现一阶、二阶和三阶机械边带的分别与P、P2和P3大致成正比，三个机械边带上的测量强度与理论结果一致。这种非线性转换提供了一种扩展位移传感动态范围的方法。　　该研究演示了一种基于微芯圆环腔的空气耦合高灵敏度MHz频段超声波探测方案，实现了宽带、高灵敏度超声检测。这项工作拓宽了使用微腔光力系统进行空气耦合的超声波探测的频率范围，并获得了较大频率范围的热噪声主导区域。相关研究成果以High-Sensitivity Air-Coupled Megahertz-Frequency Ultrasound Detection Using On-Chip Microcavities为题于近日发表在Physical Review Applied上。相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目和中科院基础前沿科学研究计划的支持。图1 (a) 微芯圆环腔的光学显微镜图。(b) 模拟的回音壁模式的基模光场分布。(c) 1550 nm附近微腔的透过率谱。(d) 超声波探测实验装置的示意图。图2 (a) 微腔超声波探测器的噪声功率谱(黑色实线)与在2.56 MHz频率处施加了超声波信号的响应谱(绿色实线)，虚线为计算得到的理论噪声。(b) 微腔超声波探测器的系统响应，即微腔对不同频率的超声波的响应。(c) 微腔超声波探测器的压强(左轴)和力(右轴)灵敏度谱。图3 (a) 施加单频超声波后不同阶机械边带的响应。(b) 一阶、二阶、三阶机械边带的与超声波压强的关系。

高灵敏度、小型化的超声探测器在诸多方面发挥着重要应用，例如医学诊断、光声成像、无损检测等。目前，商用的超声波探测器主要采用压电换能器，但为了实现较高的灵敏度，往往需要较大的尺寸，其传感器的典型尺寸一般为毫米到厘米。近些年来，随着微纳光电技术的发展，在硅芯片上微加工制备得到的光学超声波探测器可同时实现较高的灵敏度和空间分辨率。其中，微腔光力系统由于其高灵敏度、宽带宽、低功耗和易于集成等优越特性，从而引起越来越多的关注。由于微腔光力系统中的较强的光力相互作用，微腔的机械位移可以通过光学共振信号来敏感读出。由于机械共振增强了响应，且光学共振可增强读出灵敏度，因此微腔光力系统已被证实是位移、质量、力、加速度、磁场和声波等物理量的高灵敏探测的理想平台。前期工作中，研究人员已在各种体系的光学微腔中实现超声波/声波的探测，例如二氧化硅微腔、聚合物微腔、硅微腔等。多数超声波探测是在液体环境中实现的。而在空气环境中，由于超声波吸收损耗大，且声源/空气界面处的阻抗失配大，高灵敏度的超声波探测依然较为挑战。前期工作中，空气耦合的超声波探测只在1 MHz以下频段实现。空气耦合的超声波探测在一些特定场景中具有重要应用，例如气体光声光谱和非接触式超声医学成像等。为了提高空气耦合的超声波探测灵敏度，并拓展探测频率范围，最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的博士生杨昊、胡志刚等人在李贝贝副研究员的指导下，使用微芯圆环腔演示了在MHz频率范围内的空气耦合高灵敏度超声波探测。在这项工作中，他们通过光刻、氢氟酸腐蚀、氟化氙刻蚀、二氧化碳激光回流的微加工工艺，制备了带有较细的硅基座的微芯圆环腔，从而减少来自衬底的机械运动的约束，获得了在2.56 MHz的一阶拍动模式下约700的高机械品质因子，同时光学品质因子达到107以上。凭借较高的光学和机械品质因子，以及与超声波具有较大空间重叠的2.56 MHz的一阶拍动模式，他们在机械模式附近0.6 MHz的频率范围内实现了仅受热噪声限制的灵敏度，在0.25-3.2 MHz的频率范围内实现了46 μPa/Hz1/2-10 mPa/Hz1/2的灵敏度。此外，他们在机械共振频率下利用超声波驱动传感器时观察到了二阶和三阶机械边带，通过测量不同超声波压强(P )下的信噪比(SNR)，发现一阶、二阶和三阶机械边带的分别与P、P2和P3大致成正比，三个机械边带上的测量强度与理论结果一致。这种非线性转换提供了一种扩展位移传感动态范围的方法。本项研究演示了一种基于微芯圆环腔的空气耦合高灵敏度 MHz频段超声波探测方案，实现了宽带、高灵敏度超声检测，这项工作拓宽了使用微腔光力系统进行空气耦合的超声波探测的频率范围，并获得了较大频率范围的热噪声主导区域。相关研究成果以“High-Sensitivity Air-Coupled Megahertz-Frequency Ultrasound Detection Using On-Chip Microcavities”为题于2022年9月14日在Physical Review Applied上发表。第一作者为博士生杨昊，通讯作者为李贝贝副研究员。上述研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1400700）、国家自然科学基金委项目（91950118，12174438，11934019）和中国科学院基础前沿科学研究计划（ZDBS-LY-JSC003）的大力支持。文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.034035 图1 (a) 微芯圆环腔的光学显微镜图。(b) 模拟的回音壁模式的基模光场分布。(c) 1550 nm附近微腔的透过率谱。(d) 超声波探测实验装置的示意图。图2 (a) 微腔超声波探测器的噪声功率谱（黑色实线）与在2.56 MHz频率处施加了超声波信号的响应谱（绿色实线），虚线为计算得到的理论噪声。(b) 微腔超声波探测器的系统响应，即微腔对不同频率的超声波的响应。(c) 微腔超声波探测器的压强（左轴）和力（右轴）灵敏度谱。图3 (a) 施加单频超声波后不同阶机械边带的响应。(b) 一阶、二阶、三阶机械边带的与超声波压强的关系。

p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　超导核磁共振(NMR)波谱仪是既传统又现代的高端分析仪器，波谱技术在化学化工、生命科学、药物研发及生产、材料科学以及食品和生物安全等领域发挥着越来越重要的作用。长久以来，超导NMR谱仪都是由国外厂家生产，直到最近几年，市场上才出现了由国内厂家生产的超导NMR谱仪。那么，我国在波谱仪器开发、应用方面取得了哪些成绩?中国NMR谱仪市场发展态势如何?为此，我们特别邀请了武汉中科牛津波谱技术有限公司总工程师宋侃博士来分享一下国产核磁共振波谱仪的发展现状。 /span /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 300px height: 339px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/3d9e408f-7444-47bb-85cd-d25e07d15533.jpg" title=" 宋侃.png" alt=" 宋侃.png" width=" 300" height=" 339" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 武汉中科牛津波谱技术有限公司总工程师 宋侃博士 /strong /p p 　 strong 　仪器信息网:请介绍一下贵单位波谱仪器的定位及发展历史?在产品的发展过程中有哪些独具优势的技术? /strong /p p 　　 strong 宋侃： /strong 武汉中科牛津波谱技术有限公司(简称：中科牛津)是我国唯一一家超导核磁共振波谱仪整机产品研制、生产、销售及服务企业，也是目前全球三家能够提供超导NMR谱仪整机的厂商之一。公司起源于原中科院武汉物理与数学研究所(现为中科院精密测量科学与技术创新研究院)叶朝晖院士团队承担的科技部“十一五”科技支撑计划《科学仪器设备研制与开发》项目的“300 MHz-500 MHz核磁共振波谱仪的研制”课题，以及“十二五”国家重大科学仪器设备开发专项“500 MHz超导核磁共振波谱仪的工程化开发”等国家级课题。这两项课题的实施，为我国培养了一批高场核磁共振谱仪研发的创新人才队伍，建立了核磁共振仪器研发平台，完善了产品工程化和产业化开发的质控过程，形成了一系列知识产权、技术文件、工艺文件、质量文件、管理文件和工业化产品。 /p p 　　2013年，“武汉中科波谱技术有限公司”成立，致力于超导核磁共振谱仪的深入开发、生产和销售，在谱仪相关技术和应用领域逐步积累了丰富经验，开发出具有自主知识产权的谱仪关键部件和系统软件。公司于2013年起即开始销售自主研发的谱仪控制台，对用户的老旧谱仪进行升级改造，并于2016年开始成功定型生产300-600 MHz核磁共振谱仪控制系统Quantum-Ⅰ，并建立了核磁共振波谱仪研发技术平台。为了实现核磁共振谱仪的完整配套，公司从2014年起即与英国牛津仪器公司开展战略合作，引进9.4 T和14.1 T带主动屏蔽、高均匀性的NMR超导磁体技术和全套产线设备，并于2017年在武汉东湖高新开发区建成了国内首条核磁共振波谱仪超导磁体生产线，开始自主生产超导磁体，具备了大型超导磁体研发、制造和测试的良好条件。2016年，公司在瑞士苏黎世投资成立了子公司Q.OneTec AG，专注于高分辨核磁共振波谱仪探头的研发，并于2018年开始给用户交付手动调谐探头和全自动宽带调谐探头。至此，公司完成了核磁共振谱仪整机三大部件——控制台、超导磁体和探头的整合，实现了系统的完整配套，打破了国外仪器厂商长期的技术封锁和市场垄断。 /p p 　　2019年，公司对产品进行全面升级，推出了自主研制的第二代小型化、高中频(IF& gt 875 MHz)设计的Quantum-Ⅰ sup Plus /sup 高性能谱仪控制系统。同时，全新的核磁谱仪配套控制采样及处理软件SpinStudioJ也开始发布给用户使用。配合全自动宽带调谐探头，我们还开发了高通量自动进样器、带矢量网络分析功能的宽带射频前置放大器、10-400MHz全频段宽带功率放大器、全自动化核磁共振实验控制功能等，实现谱仪更少地人机交互和复杂操作，为谱仪智能化发展打下了坚实基础，为我们的产品逐步站稳国内市场、进军国际市场提供了良好条件。 /p p 　　目前，中科牛津在美国、俄罗斯及西欧均有代理商，还有其他地区的代理商都在洽谈中，这为我们的产品实现国际化销售提供了信心。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 278px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202009/uepic/1d65e2b6-b613-4d05-ae73-74ece3166d5b.jpg" title=" 微信图片_20200908155221.png" alt=" 微信图片_20200908155221.png" width=" 500" height=" 278" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " 图1 中科牛津于2019年推出的Quantum-ⅠPlus 400 MHz核磁共振波谱仪。从左至后分别为超导磁体系统及24位自动进样器、宽带前置放大器、宽带自动调谐探头、谱仪控制台及SpinStudioJ控制采样软件 /p p 　 strong 　仪器信息网：贵公司波谱仪器应用最具优势的领域?请具体阐述在该领域都取得的成绩，以及该领域在技术、方案、售后等方面有的独特优势? /strong /p p strong 　　宋侃： /strong 目前，中科牛津自主研制的高场核磁共振波谱仪具备自动化、智能化、高性能、高稳定性的实验分析测试水平，已累计实现国内销售装机80多台，为化学化工、生物医药、材料科学、食品安全等领域提供了有价值的分析解决方案，能够满足科研院所的重大科研需求以及工业界的日常分析和质量控制需求。 /p p 　　新加坡南阳理工大学、新加坡代谢表型中心主任王玉兰教授和中科牛津在代谢组学领域合作多年，早于2014年就在中科牛津波谱仪上针对减毒鼠伤寒沙门氏菌感染对宿主和肠道菌群相互作用的影响展开研究(Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2014, 31: 350-363)，为国产谱仪检验生物代谢复杂实验功能、对比进口仪器性能水平打下了坚实基础。 /p p 　　南开大学化学院2018年安装一台中科牛津400 MHz谱仪，用于元素有机化学国家重点实验室的平台建设。近期，天津中医药大学王跃飞课题组与南开大学郭东升课题组合作，通过合成一系列大环化合物，最后筛选出胍基修饰的杯芳烃作为氧化三甲胺的人工受体，借助指示剂置换检测(indicator displacement assay, IDA) 策略,实现了对肠道菌群重要代谢产物氧化三甲胺(TMAO)的荧光检测。中科牛津的谱仪为筛选能与TMAO结合的杯芳烃分子提供了重要科学证据，相关研究结果已经发表于Theranostics，2019, 9(16): 4624-4632。 /p p 　　随着核磁共振技术的快速发展，近些年来核磁共振技术已广泛应用于食品质量安全和食品真实性鉴别等领域。公司与中国食品发酵工业研究院有限公司的钟其顶教授团队合作，积极开展基于定量核磁共振技术相关行业标准的研究制定工作。我们参与了其组织的食品中某物质含量测定的实验室间能力比对，结果显示国产谱仪所得结果与其它谱仪相当，能够满足其定量测定需求。 /p p 　　近年来，越来越多的制药企业重视原始创新和平台建设，超导核磁共振波谱仪作为重要的分析检测手段，在创新药物研发、药物质量控制等方面发挥关键作用。仅以江浙沪地区为例，从2016年开始，采购并使用中科牛津仪器从事药物研究的企业及机构已达十多家，并且每年以20%-30%销售业务增长。这得益于国产仪器性能和稳定性的提升以及性价比的优势。同时，为了更好地服务于中小型规模的制药和生物技术企业，公司在武汉光谷高新技术开发区开放了核磁共振仪器的共享平台、提供专业的分析测试服务，为武汉乃至华中地区的药企铺路“最后一公里”，更快地将实验室研究成果向试生产转化。与此同时，我们也非常重视建立和发展与药物研发过程密切相关的实验技术方法和自动化实验技术，以及满足监管规范的软件模块等等，使我们的产品更加适用于药物研发过程。 /p p 　　除了化学药，国内的生物制药行业也蓬勃发展。根据有关预测，我国生物医药市场将成为仅次于美国的全球第二大生物医药市场。去年我国已有4个单抗类生物类似药获批上市。据报道，目前中国大陆有近两百家企业在生物类似药上布局，在研的生物类似药也有近400个，位居全球第一。生物类似药的高级结构比对分析是生物医药企业质控和药监部门监管环节的必备节目，而核磁共振技术是唯一一种具有原子分辨率的生物药高级结构比对分析技术。国外研究机构和生物医药公司在这方面做了大量的研究工作，而国内相关研究却极少。目前已有国外厂商拥有相关的NMR分析软件。我们也正在积极开展相关工作，争取尽快在国产谱仪上配套相关的软件，为国内外生物医药企业和监管部门提供可靠的分析工具。 /p p 　　 strong 仪器信息网：贵公司在售后服务方面有哪些独到之处? /strong /p p strong 　　宋侃： /strong 中科牛津从谱仪的研发、生产到服务积累了丰富的经验，培养了一批谱仪技术和核磁应用的高水平人才，对整机系统及关键部件有深入理解，能够为用户提供高效、专业的服务，包括：常规仪器售后维修、探头维修维护保养、谱仪升级改造、谱仪搬迁以及样品检测等全方位的服务。除此之外，我们的应用支持还定期为用户组织核磁知识和实验技能的培训，帮助非专业领域的实验人员或管理人员更快熟悉仪器并熟练操作。 /p p 　　不同于传统(国外)仪器厂商售后服务模式，中科牛津采用7× 24小时服务专线、网络远程在线预诊断、微信派单工程师、上门维修服务等步骤，尽快帮助用户解决售后问题。 /p p 　　 strong 仪器信息网：请分析目前全球及中国的波谱仪器市场发展态势有何不同?目前中国波谱行业普遍存在哪些问题，该如何应对? /strong /p p strong 　　宋侃： /strong 纵观高场NMR国际市场，超导核磁共振波谱仪已不再是高高在上的、只能用于实验室研究的分析仪器, 包括材料化工、制药等行业的快速发展(占NMR市场份额约43%)必将推动NMR谱仪市场的扩大，特别是在工业4.0的驱动下，高性能谱仪必将成为最有价值的分析解决方案以及生产过程控制手段。 /p p 　　与国际市场相比，我国谱仪的主要用户仍是高校和研究所，仪器多数来自于政府采购。亚洲最大的市场是日本，我国市场规模和客户群体还需要深度挖掘和发展，这与我国现阶段工业及信息化发展水平有必然联系。一方面，企业规模小、资金投入少、系统平台建设严重不足，由于磁共振谱仪长期依赖进口、高昂的售价和维护(升级)成本是大多数企业望而却步的主要原因，尤其是用于定制满足用户样本比对分析的高级功能和大样品量的自动化测试需求，仪器售价还会提高。另一方面，无论是功能还是稳定性上，我们都需要正视国产仪器与国际先进水平的差距，“进口仪器更放心”——先入为主的标签还需要通过自身不断提升仪器核心竞争力来打破。 /p p 　　当然，我们非常感谢一些科研院所和工业界的核磁老用户对我们实实在在的支持，他们勇敢地购买国产仪器，并且在使用过程中发现我们的仪器也不差，而且售后维修更方便。于是，也帮我们不断推荐，慢慢口碑就有了。现在国内用户开始逐渐知道我们公司，了解了国产的高场核磁共振谱仪，使我们的品牌有了一定的知名度。随着我们的仪器逐步升级换代，性能逐步改善和提高，我相信国产谱仪一定能够赢得越来越多的用户和市场。 /p p br/ /p