为电池应用实现小型化纳米传感器系统

根据瑞典公司Insplorion与创新咨询机构RISE Acreo的研究发现，通过局部表面电浆共振（LSPR）技术，可望在电池监测、生物传感等应用中大量生产低成本的纳米传感器。研究人员们的初探性研究——“为电池应用实现小型化纳米传感器系统”（Miniaturization of a nanosensor system for batteries），验证了打造低成本光纤传感器系统的可能性，可望满足电池监测以及体内诊断和制造产业等其他应用的需求。研究人员采用Insplorions的纳米等离子感测（NPS）技术进行这项研究。NPS的技术基础就在于利用了所谓“局部表面电浆共振”（LSPR）的物理现象。

这项研究的目的是探索设计基于NPS的光纤传感器系统，并以低成本实现大规模生产的可能性。

Insplorion执行长Patrik Dahlqvist表示：“该研究计划的重要结论是证实我们能够用大量元件实现具竞争力的制造价格，以及了解它如何以大量制造扩大规模。我们可以为适合利基型应用的首批电池打造低廉的传感器系统。然而，这还需要经过一些技术的发展与验证，才能打造进入广泛市场的传感器系统。”LSPR技术是在金属纳米颗粒中传导电子的一种连贯性集体空间振荡作用，它能经由近可见光直接激发。共振条件（即可激发LSPR的光波长/颜色）由纳米颗粒的电子特性、其尺寸、形状和温度以及纳米颗粒附近的介电环境等各种组合而限定。

纳米等离子感测利用金属纳米颗粒（通常是银或金）作为局部感应元素，提供了独特的性质组合；包括超高灵敏度、小样本量/体积（取决于传感器的纳米颗粒尺寸，通常约在50-100nm尺寸范围内），以及实现快速、即时（毫秒时间分辨率）远端读取的能力。

NPS芯片的纳米架构（来源：Insplorion）

在Insplorion申请专利中的NPS芯片架构中，传感是通过在透明基底上非互动的相同金属纳米圆盘之纳米制造阵列实现的。然后用其上沉积的样品材料（如纳米颗粒薄膜）的介电间隔层薄膜（仅几十纳米）覆盖该金属圆盘阵列（传感器）。传感器纳米颗粒接着被嵌入于传感器，除了经由LSPR偶极场外，在实体上并不与所研究的纳米材料相互作用。后者渗透穿过间隔层，并在其表面及其表面附近存在相当大的强度，因此能传感该位置的电介质变化。研究公司Future Market Insights表示，全球表面等离子共振市场预计将在2017-2027年间以6.3%的复合年增长率（CAGR）成长，并将在2027年达到近13亿美元的营收。为了实现更高的产量与性能，来自医院、诊所、门诊手术中心、护理中心和参考实验室等终端用户对于高阶、表面等离子共振的需求持续增加，将为长期使用表面等离子共振技术带来机会，并推动进一步的成长。成像系统将是其中最大的细分市场之一，别是随着越来越多的免标签检测技术取代标签检测技术的趋势进展。其他也预计会有显着成长的细分市场是生物传感器。最近的一项应用强调来自中国苏州大学（Soochow University）的研究，该研究将LSPR技术用于智能窗户，使其得以因应环境情况调整特性，而无需任何人工干预。这项研究基于热致变色材料的适应性行为，可因应温度变化而改变颜色。原型智能窗户利用LSPR将来自环境太阳光的光子转换为局部热能。这触发热致变色窗户从透明切换到不透明，以阻挡进一步射入的阳光。