中国科学家开发等离子体氢气传感器，论文一作即将加入西湖大学

从二本院校毕业生、到成为荷兰埃因霍温理工大学博士毕业生，柏萍走得不算特快，但却步步扎实。正式戴上博士帽的前一周里，她迎来了“三连喜”：一篇论文被 Nature Communications 接收；另一篇论文被 Journal of Applied Physics 接收；以及收到了即将博士毕业的好消息。

图 | 柏萍（来源：柏萍）

等离子体氢气传感器，是 Nature Communications 那篇论文的的研究对象。这种传感器主要依赖于金属纳米颗粒中的光学共振。该类共振通常具有非常宽的光谱，所以传统氢气传感器的检测极限仅在百万分之一。

然而，在实际生产生活中，有时还得保证安全。因此，我们需要更快速、更灵敏、更准确的氢气传感器, 以用于一些特殊场景。

例如，监测工程结构材料中是否存在氢损伤；观察病人胃中是否存在由细菌感染产生的氢气等。

综上，如何通过优化传感器的结构，从而大幅度提高其灵敏度，一直是光学等离子体传感器的难点课题。

针对这一问题，柏萍使用逆向纳米光子的设计方法，并结合人工智能设计出一种超灵敏等离子体氢气传感器。同时，该传感器也基于钯纳米颗粒周期性阵列中的集体共振。

对于应用前景，她表示：“通过这篇论文的研究和发表，我非常有自信地说，基于粒子群算法的逆向纳米光子学的设计优化方法非常强大，在和一些商业物理学软件比如 Lumerical FDTD 和 COMSOL 仿真相结合后，可以潜在地应用到其他研究方向和应用领域中去。”

鉴于此次设计方法的普遍性，加之纳米颗粒阵列窄光谱等离子表面晶格共振的特性，接下来会应用到不同光学或电子光学领域中去。

基于此，课题组还可继续优化和研究不同种类的传感器，比如表面生物分子传感器、单波长输入传感器等。

（来源：Nature Communications）

测量敏感度达到十亿分之一

具体来讲，她和合作者先是设计了一个基本的传感器结构，接下来通过建模把原始问题转化成一个数学中的优化问题。最后，使用粒子群优化算法来一步一步迭代，进而得到最优的结构设计。

实验证明，由该方法得到的传感器，在测量敏感度达到了十亿分之一，比传统方法制备的传感器高出 3 个数量级。“它不仅克服了光学传感器的灵敏度瓶颈，而且是目前世界上测量到了最低数量级的光学氢气传感器。”柏萍表示。

除了氢气传感之外，在此次工作中采用的逆向设计方法，也可以扩展到具有共振的表面功能化纳米颗粒阵列。这些共振的存在价值之一在于，能通过折射率效应或化学界面阻尼，去吸附特定的气体，从而实现低成本和超灵敏的传感平台。 无论是家庭安全、还是城市空气的污染检测，本次成果都能施展本领。

（来源：Nature Communications）

近日，相关论文以《反设计等离子体超表面每十亿分之一的光学氢侦查》（Inverse designed plasmonic metasurface with parts per billion optical hydrogen detection）为题发表在 Nature Communications 上。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

柏萍是共同第一作者，荷兰阿姆斯特丹自由大学物理与天文学系的法瑞·安格罗·阿尔迪·努格罗霍（Ferry Anggoro Ardy Nugroho）博士担任共同一作兼通讯，同样来自该学院的安德里·巴尔迪（Andrea Baldi）教授担任共同通讯作者。

另外两位共同通讯作者还有：瑞典查尔姆斯理工大学教授约阿希姆·弗里切（Joachim Fritzsche）、以及荷兰埃因霍温科技大学应用物理系教授海梅·戈麦斯·里瓦斯（Jaime Gómez Rivas）。

其中一位审稿人同意觉得该研究是有趣的，因为它能潜在地用于设计其他的器件。“另一位审稿人更是用‘新颖，应该是一个重大贡献’来评价。只有创新才能突破瓶颈。这项工作的创新之处就在于逆向设计方法，不仅能直接找出最优的等离子体氢气传感器设计结构，而且能使传感器灵敏度打破极限，达到一个新的高度， ”柏萍表示。

创造目前氢气检测灵敏度的世界纪录

回顾研究全程，柏萍表示在立项阶段时，大家将该工作着眼于等离子体氢气传感器的研究现状。由于金属纳米颗粒中的光学共振宽光谱特征的限制，在有光学损耗的钯纳米结构中氢会被吸收，这导致此前最先进的检测极限一直处在百万分之一（ppm）的范围内。

柏萍表示：“我们的合作者 Dr. Ferry Anggoro Ardy Nugroho 是氢气传感器方面的专家，曾在 Nature Materials 和 ACS Nano 等期刊中发表过相关论文。而对他们而言，突破等离子体氢气传感器的检测极限始终是一个重大挑战。”

在一次荷兰物理学术会议（NWO Physics@Veldhoven 2018）中，柏萍的博导的前同事Andrea Baldi，对柏萍展出的海报特别感兴趣。

在这个海报中，柏萍介绍了逆向设计优化方法-粒子群算法。因此这位教授回去后就让他们课题组的博士后 Ferry 联系柏萍商讨合作事宜。

（来源：Nature Communications）

而在优化设计阶段，则主要由柏萍执行。借助商用软件 Lumerical FDTD 模拟器，她编写了一套粒子群算法程序，能适用于钯纳米颗粒阵列的光学传感器。

结合颗粒阵列中集体表面晶格共振的窄消光光谱特性，她和合作者以最大化传感器的灵敏度为目的，优化了钯纳米颗粒阵列的各项几何参数，比如颗粒直径、高度、周期性阵列的晶格常数、以及覆盖其上的过滤层厚度。

“非常有趣的是，我们的优化结果表明，氢气传感器的最佳灵敏度不是仅由表面晶格共振的最窄消光光谱实现的，而是通过具有较窄光谱和纳米颗粒之内的、足够大的场增强之间的最佳平衡阵列来实现的。这个发现使我们对等离子体光学传感器的机理有了新的理解。”柏萍表示。

在制备和测试阶段，瑞典查尔姆斯理工大学的合作方承担了主要工作，他们采用电子束光刻、热蒸发、电子束蒸发、湿化学蚀刻、反应离子蚀刻、剥离和切割等技术，制备出了优化后的钯颗粒周期性阵列样品。

随后送往阿姆斯特丹自由大学合作方Andrea Baldi 教授实验室进行光学色散测试和氢灵敏度测试。“效果非常惊人，测量的氢检测极限达到十亿分之一（ppb），远远超越了原有的检测极限，创造了目前氢气检测灵敏度世界纪录。”柏萍说。

接下来，大家开始撰写论文初稿，主要内容包括钯颗粒阵列中集体表面晶格共振的研究、几何参数对灵敏度的影响、粒子群优化设计和效果评估、对样品测试结果的分析等。2021 年底，他们向 Nature Communications 提交论文初稿，并顺利经过编辑的初审，随后送专家审阅。

2022 年春节前后，研究团队收到了审稿人反馈的意见。据柏萍回忆：“其中比较重要的一个评审意见是我们的氢气传感器是否可靠。因为此传感灵敏度依赖于氢的浓度，而我们的样品是暴露在氢浓度逐渐降低的环境中，从而实现对低浓度氢的检测。”

针对这一疑问，她和合作者公开了传感器暴露于三个周期的、由高到低氢浓度的测量数据。结果显示即使在最低浓度下，该传感器的响应也是可重复的。

审稿人的另一个问题，则是质疑氢气传感器的实际应用性。对于氢气传感器来说，绝大部分的应用是在检测大气中的氢气，而柏萍等人的测试完全以干氩气作为背景气体完成。

针对这一问题，他们在论文修改稿中新增了对于其中一个实验的介绍，即在空气中测试等离子体氢传感器，以此来验证它在现实气体环境中的适用性。幸运的是，测量响应光谱和在干氩气中测量的几乎一致。最终，论文在 2022 年初秋顺利发表。

说到这里，柏萍感慨道：“研究的三大主要步骤：设计优化、样品制备和样品测试，分别由三个组完成。虽然我们有各自的分工合作，但也在彼此学习。比如在样品制备时，我曾亲身进入超净间目睹制备的过程并核实样品的几何参数。样品测试后，也参与分析实验结果，和模拟数据对应起来分析。这些宝贵的经历，将是我一生的财富。”

（来源：Nature Communications）

已从荷兰回国，即将加入西湖大学做博后

如前所述，在柏萍博士论文毕业答辩的那一周里，除了收到了这篇论文的正式接收邮件外，还收到了另一篇论文被接收的邮件。

她说：“我另一篇将被发表在 JAP（Journal of Applied Physics）的论文，将类似的逆向纳米光子设计方法，用在了有机太阳能电池上。2022 年 9 月 19 号到 9 月 23 号那一周里，有三件我永远记得的大事：周一被告知本论文被 Nature Communications 正式接收，周三收到另一手稿被 JAP 接收发表，周五我结束了 4 年的博士生涯，完成了博士论文答辩仪式。伴随着惊喜、紧张和兴奋的心情，从此我便完美结束博士研究阶段，正式被授权使用博士头衔。”

而说到求学经历，柏萍自认为算是比较坎坷的。她说自己并不是那种从小就特别聪明的孩子。靠着满腔热血和一颗追求上进的心，从齐鲁工业大学毕业后，其于 2013 年考入苏州大学物理学专业读研。

硕士期间，她曾有幸两度前往沙特阿拉伯国王科技大学访问学习，在赖耘教授和吴莹教授的共同指导下，从事新型光学和声学吸收系统的理论与设计研究，以第一作者身份发表了 3 篇学术论文。

之后，又于 2017 年获得国家公派留学资格的资助，前往荷兰进行博士学习。几经辗转，于 2018 年 10 月加入埃因霍温理工大学应用物理系 Jaime Gómez Rivas 教授课题组开始表面纳米光子学的研究。

目前，柏萍已经离开荷兰回到国内，并接到了西湖大学的博士后 offer, 计划于 2022 年 12 月入职西湖大学工学院 PI 彭斯颖博士团队，开始拓扑纳米光子的科研工作。

参考资料：

1.Nugroho, F.A.A., Bai, P., Darmadi, I. et al. Inverse designed plasmonic metasurface with parts per billion optical hydrogen detection. Nat Commun 13, 5737 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33466-8

李飞飞团队最新Nature论文：AI传感器如何改善医疗服务

“全球百大思想者”、“影响世界的华人”、“领军AI的华裔女性”、“改变了AI世界”……顶着一系列炫目的光环，李飞飞这个名字走进了大众的视野。

李飞飞

她的主要研究方向为机器学习、计算机视觉，乍看上去高冷无比，其实与我们每一个人都有着千丝万缕的关系。

历时八年，凝结了无数人的心血，十几篇AI论文和半打医疗期刊论文，最终凝聚成李飞飞和团队9月9日在Nature上联合发表的重磅论文「Illuminating the dark spaces of healthcare with ambient intelligence」，探讨AI传感器对病患治疗、养老和医疗服务影响，以及使技术更好地服务人类。

李飞飞发在Nature上的论文

文中表示，机器学习和非接触式传感器的进步，促进了环境智能 （ambient intelligence）的发展。所谓环境智能，是指智能设备进入到我们的工作、生活环境中，对我们的活动作出反应。理想情况下，无需交互接触，智能设备就能感应到人的存在，提供个性化的服务。

李飞飞团队发现，环境智能可以在医疗和我们的日常生活中扮演重要角色，为我们更好地提供更优质的医疗服务。

01 未来医疗的新趋势

2018年，约7.4％的美国人口有住院需求。同年，英国国家卫生局（NHS）报告了1700万例入院事件。与此同时，医护人员超负荷工作、人手不足、资源有限的难题，亟待解决。

环境智能可以帮助提高医疗服务质量、医生的效率和业务运营能力，有助于解决医疗资源不足的问题。

医护人员使用电子传感器和AI帮助监控和治疗病人，在保护病人隐私的同时，可以大幅度减少医疗事故的数量。

例如，传感器和AI可以提醒临床医生和访客在进入病房前先洗手，减少病人术后感染的可能性；通过传感器监测ICU病人的活动情况，病人神经肌肉损伤的发生率减少了40％。

医院中的环境智能

图a是商用环境传感器，其覆盖区域以绿色显示（即视觉传感器的视野以及声学和无线电传感器的范围）。

图b是部署在病房内的传感器，可以捕获患者、临床医生和访客的对话和身体动作。

图c是部署在整个医院中的传感器。

图d是把对活动的预测和深度传感器收集的数据进行比较。顶部是深度传感器收集的数据，中部是算法预测的病人的活动情况、持续时间和所需的协助患者的人员数量，底部是根据监控影像人工标注的实际情况。

02 更独立的日常生活

2050年，全世界65岁以上的人口数量将从7亿飙升到15亿。洗澡、穿衣、饮食等看似简单的日常生活活动，对于该人群的福祉和独立性至关重要。

将人工智能工具植入智能家庭中，可以随时监控虚弱的老年人，寻找即将到来的健康危机的行为线索，促使家庭护理人员、远程临床医生和患者自己及时采取拯救生命的干预措施。

此外，环境智能还可以通过患者的言语提示和上身运动来识别精神疾病症状，通过步态分析识别慢性疾病，收集到的数据可用于治疗师对患者的治疗。

养老院中的环境智能

图a是配备了环境传感器的养老院，绿色部分表指示传感器的覆盖区域

图b是环境智能算法处理传感器收集的数据，并进行活动分类。

图c是患者一天的活动，较深的蓝色部分表示某活动出现频率较高。

03 环境智能，任重道远

环境智能可以减少临床医生的意外错误，帮助老龄化人口独立生活，监测患有慢性疾病的患者，对患者治疗、养老和医疗服务的进步有着深远的意义。

但环境智能真正普及，还需要计算机科学家、临床医生和医学研究人员与法律、道德和公共政策专家密切合作，创建可信赖的医疗环境智能系统， 使技术发挥作用的同时，还能保障人们的隐私、公平等问题。

正如李飞飞在她的朋友圈里所说的：“我们的研究仅仅是走出的小小一步。与此同时，这些科技的社会影响，包括隐私，公平和伦理都不可忽视，也需要和科技的开发同时进行。”

李飞飞在朋友圈感谢学生

（本文未经造就授权，禁止转载。）

编辑 | 田晓娜

参考 | Nature

相关问答

用SC0073脉搏传感器比较好!放大和滤波自己简单做就行了。SC0073动态微压传感器是一种高性能、低成本的压电式小型压力传感器,采用压电薄膜作为换能材料,动态压...

无线传感器在智能家居中发挥着重要作用,它们能够实现对家居环境的实时监测和数据采集,从而为居民提供智能化的生活体验。通过无线传感器,居民可以监测室内温...

[最佳回答]宫老师真的学问真的博大精深,不是你我所能理解的!

[最佳回答]ADNS2610imagingsensorsbyusingasmall-scaleproductionofprecisepositioningsystem,andismain...

电气自动化实习论文摘要:本文通过对电气自动化实习的经历和体验的总结,对电气自动化领域的相关知识进行了深入的学习和探究,提高了自己的实践能力和...

目录第1章绪论2第2章方案论证42.1半桥电子秤的任务分析与实现42.2半桥电子秤的硬件方案设计52.3半桥电子秤的软件方案设计6第3章半桥电子秤的...

[最佳回答]您打算用在什么方面?广泛的说:1、现在的超声波传感器频率都相对固定,例如40KHz的传感器,只能用在38-42KHz上,其它频率的也类似,目前几乎见不到频域...

该设备由德克萨斯大学奥斯汀分校副教授NanshuLu领导的团队开发。这种设备包含两个薄膜传感器,一个由金和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料制成,另一个由称为...

[最佳回答]关键词:煤矿机电综合机械化电气自动化0引言在矿井...浅谈机械制造中数控技术的应用日期:2009-11-2404:15:31点击:107好评:0摘要:数控技术...

关于ODE压力传感器的资料比较丰富。首先,ODE压力传感器是一种基于压阻效应的压力传感器,它可以测量气体或液体的压力,并将其转化为电信号输出。其主要特点是精...