量子网络中的确定性多量子位纠缠
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量子网络中的确定性多量子位纠缠
量子网络中的确定性多量子位纠缠 芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员使用一个一米长的超导同轴电缆连接的超导量子节点放大了纠缠态,实现了高保真度多量子位纠缠。这项新的研究可以为未来的量子通信网络和大规模量子计算机奠定基础,相关研究发表在《Nature》上。 对于大型量子通信和计算网络,高保真度分布式多量子位纠缠的产生是一项艰巨的任务。虽然最新研究已经用光子和声子实现了两个遥远量子位的确定性纠缠。但是,由于状态转移保真度有限,多量子位纠缠的产生和传输还有待确定。 为解决这个问题,研究人员首先通过使用同一根电缆放大了纠缠态,首先使用电缆使两个节点中的每个节点上的两个量子位纠缠,然后将这些量子位与节点中的其他量子位进一步纠缠。 图:美国陆军资助的研究通过连接一个量子网络节点和另一个节点的通信电缆发送纠缠的量子比特态。这项研究有助于为未来的量子通信网络和大规模量子计算机打下新的基础。 量子位是量子信息的基本单位。通过利用它们的量子特性(例如叠加)以及它们相互纠缠的能力,科学家和工程师正在创造下一代量子计算机,它将能够解决以前无法解决的问题。该研究小组使用超导量子位,可以电操纵的微型低温电路。 纠缠是可以在量子实体(例如量子位)之间创建的关联。当两个量子位纠缠在一起,在其中一个量子位上进行测量时,它将影响在另一个量子位上进行测量的结果,即使第二个量子位在物理上相距很远。 为了通过通信电缆(一米长的超导电缆)发送纠缠态,研究人员创建了一个实验装置,在两个节点的每一个中具有三个超导量子位。他们将每个节点中的一个量子比特连接到电缆,然后以微波光子的形式通过电缆以最小的信息损失发送量子态。量子态的脆弱性质使这一过程颇具挑战性。 研究所开发的量子网络由两个节点构成,其中每个节点都是一个超导处理器,包含三个电容耦合的超导量子位,并由可调耦合器相互连接。两个节点由1米长的铌钛(NbTi)超导同轴电缆连接,并且时变耦合强度由每个节点中的可调耦合器控制。实验结果表明通过将电缆直接连接到每个节点中的一个量子位,可以实现0.911±0.008的处理保真度在节点之间传递量子态;一个节点中三比特的Greenberger–Horne–Zeilinger(GHZ)状态可以确定地将状态转移到另一节点,转移状态保真度为0.656±0.014;两节点全局分布六量子位GHZ状态传输的状态保真度为0.722±0.021。 GHZ状态保真度明显高于真正多量子位纠缠的阈值(1/2 )。 该系统的整个传输过程(从节点到电缆到节点)仅花费几十纳秒(十亿分之一秒的时间为十亿分之一秒)。 这使他们能够以很少的信息损失发送纠缠的量子态。该系统还允许他们放大量子位的纠缠,在每个节点中使用一个量子位,并通过实质上通过电缆发送一个半光子将它们纠缠在一起。 然后他们将这种纠缠扩展到每个节点中的其他量子位。当它们完成时,两个节点中的所有六个量子位都以单个全局纠缠状态纠缠在一起。 该体系结构可用于将多个超导量子处理器相干地链接在一起,从而为构建大规模量子计算机提供了一种模块化的方法。新闻链接 原文链接
2021-04-23
使用机器学习对单光子的空间模式校正
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使用机器学习对单光子的空间模式校正
使用机器学习对单光子的空间模式校正在陆军资助下,美国路易斯安那州立大学的研究者展示了一种机器学习方法,该方法可以校正由光子组成的系统中的量子信息,从而改善在战场上部署量子传感和量子通信技术的前景。相关信息发表在《Advanced Quantum Technologies》上。 在过去的二十年中,空间结构光束已广泛用于从3D表面成像到量子密码学的多种应用。在拉盖尔-高斯模型下,可对光束中的单个光子进行信息编码,从而产生了新的通信加密协议。该技术已被应用于高速光纤通信以及空间和水下通信。结构化光束还提高了针对窃听者的安全级别,还可用于遥感成像技术。然而,在现实环境中光子的空间分布很容易扭曲。随机相位失真和散射效应会破坏结构化光束中编码的信息。尽管这种信息扭曲和失真可以通过使用自适应光学,量子相关和非线性光学的常规方案得以缓解,但尚未有方案可以有效且快速地克服单光子级的湍流效应。 为了解决这一问题,研究者开发了一种智能通信协议,该协议可利用卷积神经网络(CNN)的自学习功能来校正单个光子的空间轮廓, 进而来纠正由光子组成的量子系统中的信息失真。这是一种用于校正拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)模型下的单光子信息系统扭曲。 研究人员利用一种机器学习来纠正由光子组成的量子系统中的信息失真。该团队发表在Advanced Quantum Technologies上,证明了利用人工神经网络的自学习和自我发展功能的机器学习技术可以帮助纠正失真的信息。这些结果优于依赖传统自适应光学器件的传统协议。 图1,(a) 用于演示湍流校正的装置示意图。 实验是使用He-Ne激光和通过自发参量下转换(SPDC)产生的单光子进行的。 使用二向色镜(DM)切换光源。Alice使用空间光调制器(SLM)对光子的空间轮廓进行整形。 准备好的光子通过饱和流发送到Bob。 然后,Bob对结构化的光子执行校正和量子态层析成像。 为了做到这一点,收集多类和单光子图像来训练一个人工神经网络。高亮度图像是使用CCD相机获得的,而单光子图像是在门控ICCD相机上形成的。 (b)用于湍流校正的神经网络包括五层卷积神经网络(CNN)和带有梯度下降优化(GDO)算法的反馈回路。 具体而言,研究者首先使用空间光调制器(SLM)和计算机生成的全息图来模拟出光线传播的LG空间模式,然后使用4f光学系统对生成的模式进行滤波和准直,然后投影到第二个SLM上。接下来使用偏振分束器(PBS)将第二个SLM反射的光束分成两束。由PBS反射的光束的空间轮廓由CCD摄像机记录。接收端的操作者收集了50种光子扭曲模式图像,将这些图像中的45张用作训练集,其余5张用作测试集。每个实验图像的分辨率为400×400像素,然后对每个图像进行下采样形成128×128像素的矩阵供CNN进行机器学习。该CNN卷积网络共有五层,并配合有梯度下降优化(GDO)算法的反馈回路。CNN拍摄LG光束的湍流图像,并用5×5滤光器对其进行卷积。该步骤之后立即进行2×2的最大池化层,然后将它们馈送到100个完全连接的神经元中。最后,研究者利用数百个畸变图像实例来获得多种湍流强度,以训练神经网络。受过训练的CNN的功能是根据标准折射率值预测湍流强度。 而GDO循环的功能是在模拟湍流的随机矩阵的多重实现上优化校正相位掩码。然后在第二SLM中对相位掩模进行编码,以获得在SLM的图像平面处的校正后的空间模式。 最后的实验结果表明,在研究者开发的算法矫正下,光子信息的失真度可以在通信信道的湍流干扰强度高出几个数量级的条件下达到和传统自适应光学方法大致相同。 本研究的成果可用于用于改善依赖于结构化单光子的光通信协议的信道容量,从而加强加密量子通信的可靠性和遥感成像的质量。 新闻链接 原文链接
2021-04-23
超薄太赫兹源
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超薄太赫兹源
超薄太赫兹源 英国萨塞克斯大学物理学家开发出一种非常薄的大面积太赫兹半导体表面源,其仅由几个原子层组成,并且与现有的电子平台兼容。相关论文发表在《Physical Review Letters》上。 超快光脉冲非线性产生宽带太赫兹(THz)场是成像、光谱学、材料和器件设计等领域基础研究和颠覆性应用的一个重要课题。当前的研究旨在确定新的材料和生成机制,以提高非线性太赫兹源的效率和通用性,例如有机晶体,自旋电子衬底和可调谐气体激光器。 双色太赫兹(THz)生成是一种结合了光脉冲及其二次谐波的场物质过程。它在凝聚态物质中的应用受到多个相互作用场之间缺乏相位匹配的挑战。多年来,在&chi;(2)晶体中的二阶光学整流(OR),例如ZnTe或LiNbO3一直是THz光源开发的核心。然而,在较宽的光学带宽上保持纵向相位匹配条件的严格要求,极大地限制了激光源和非线性材料的选择。 虽然可以通过复杂的设置来实现相位匹配,但是当需要多场同步传播时(例如在三阶现象中),无疑会带来越来越大的挑战。为了克服相位匹配带来的限制,像超薄自旋电子基板的情况一样,新型发射器能够在短传播距离上实现高转换效率,从而提供了一种有希望的替代方案。在这种情况下,在超快照明(通常为100 fs级脉冲)下,窄带隙半导体表面已成为非常有效的表面THz源。尤其是砷化铟(InAs),每单位长度的转换效率极高,并且是产生表面非线性THz的标准基准之一。 这里,研究人员首次展示了通过高共振的带隙激发,在空气-InAs界面上进行双色光学整流的过程,称之为全光表面光学整流(AO-SOR),以将其与直流偏置表面光学整流区分开来(DC-SOR)。强吸收区导致了非常高的有效&chi;(3)非线性,并导致很深的亚波长穿透深度,该深度将准2D表面内的相互作用定位在25个原子层的范围内。尺寸减小的相互作用长度允许放宽典型的相位匹配约束,这还影响竞争性表面机制的动力学,例如对光发射的光载流子驱动的筛选。图1位实验装置,包括基本(FH)激发光束(&lambda;1&frasl;4 800 nm,100 fs,1 kHz,&asymp;1.0 mJ,红色光束)与其二次谐波(SH)信号(&lambda;1&frasl;4 400 nm,&asymp;35.4&mu;J,蓝色光束)共传播。采用I型工艺(oo-e)在0.1mm厚的&beta;-硼酸钡(BBO)晶体中产生了400nm的交叉极化SH脉冲。双折射方解石板(CP)在两个交叉极化场之间引入了可调谐的相位延迟。作为一个非线性表面,开发了一个未掺杂的<100> InAs衬底。泵以相对于其法线45&deg;的角度照亮表面。太赫兹信号是通过标准的时域光谱(TDS)装置沿镜面反射方向(绿光束)收集的,该装置通过非线性 <100> ZnTe晶体实现。总的来说,研究人员提供了凝结物质中无相位匹配的两色太赫兹生成的第一个实验演示。结果还表明,在相同的总输入泵浦功率下,AO-SOR可以明显胜过DC-SOR。 图 1,实验装置。(a)红色,蓝色和绿色光束分别表示800、400 nm和THz光束路径。插图显示了相位延迟所起的作用。(b)整个装置的示意图。 半波片(HWP),硼酸钡晶体(BBO),方解石片(CP),熔融石英窗(SW:UV),四分之一波片(QWP),碲化锌(ZnTe)。 这种方法对于产生在两种颜色激发之间具有大的频率失谐的太赫兹波的理想选择,为实现非零频率载波太赫兹参量放大打开了大门。验证结果可能会为超薄太赫兹发射器的实现带来新的进展,例如,近场成像应用和集成纳米光子器件,在这些应用中,传统的非线性晶体无法缩小到相同的尺寸而又不可行。 新闻链接 原文链接
2021-04-22
新的钙钛矿制造技术可大规模生产太阳能电池
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新的钙钛矿制造技术可大规模生产太阳能电池
新的钙钛矿制造技术可大规模生产太阳能电池住宅用途:一种新的制造工艺可大规模生产钙钛矿太阳能电池。 iStock/MarioGuti供图。来自台湾和美国的研究人员发现制造工艺中需要一个简单改变,这个简单的改变将很快使高性能钙钛矿太阳能电池的大规模生产变得更容易。这项技术是由国立台湾大学(National Taiwan University)的Leeyih Wang及其同事开发的,他们表明,这项技术既能提高太阳能转换效率,又能提高钙钛矿微型模块的使用寿命。他们的创新可以为大规模生产钙钛矿太阳能电池开辟新途径,使其成为现有硅基电池的有力竞争对手。钙钛矿材料被广泛视为低成本、大面积太阳能电池最有前途的候选材料之一。由于其出色的光电性能,最近的实验已经证明转化效率高达22%,超过0.5 平方厘米的有效面积。然而,由于薄的钙钛矿膜制造要求高,目前在更大的尺寸范围内还实现不了类似的实验室性能。当前,制造过程通常将抗溶剂滴到钙钛矿前驱体上,其被旋涂在一个衬底上。理想情况下,该技术可以制造具有均匀、高质量晶体结构的薄膜。但是,必须严格控制该工艺的条件,并且必须在初始沉积后仅 9 s 的时间内应用抗溶剂。否则,由此产生的钙钛矿薄膜可能是表面粗糙和不均匀的,这会降低其作为太阳能电池的性能。而且随着薄膜尺寸变大,实施这一工艺变得越来越困难。新的抗溶剂为了解决这个问题,Wang的团队,包括洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的研究人员引进了一种技术,大大拓宽了沉积后的时间窗口。他们使用环丁砜作为抗溶剂,这使得他们在实验中能够制造出均匀的、高质量和大面积的钙钛矿薄膜。为了研究分子间机制来解释这种现象,他们利用X射线衍射和红外光谱学的组合研究了所涉及的化学反应。他们发现,环丁砜分子和钙钛矿前驱体离子之间的氢键显著减缓了结晶过程,从而将添加抗溶剂的时间窗口延长到90秒。这使得致密的、高度均匀的晶体结构能够在不那么严苛的工艺条件下形成。为了证明这一改进,Wang和同事们制造了一个有效面积为36.6平方厘米的钙钛矿太阳能电池微型模块。他们的器件实现了超过16%的太阳能功率转换效率,并在50 &deg;C下运行250 小时后仍保留了约90%的初始性能,在这这个温度节点上达到了最大的功率值。这种高效率和长的运行寿命为大规模生产钙钛矿太阳能电池创造了条件,即可在更加灵活的制造条件下生产。Wang的团队希望这项技术能很快在商业上得到广泛应用,甚至可能成为硅基太阳能电池的一个有力的竞争对手,从而提升可再生能源的前景。这项研究发表在《Joule》上。原文链接
2021-04-22
纳米天线为紧凑型拍赫兹示波器铺平了道路
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纳米天线为紧凑型拍赫兹示波器铺平了道路
来自麻省理工学院(美国波士顿)、DESY、汉堡大学和加州大学戴维斯分校(美国)的研究团队已经成功地在金属纳米天线上产生了持续时间仅为几百个阿秒的电子脉冲, 并且用它们测量了极弱的电场。 一阿秒相当于十亿分之一秒的十亿分之一(10-18秒)。在以前的研究中,类似的测量只有用能产生阿秒紫外脉冲的精密激光装置才能进行。现在证实的方法无需使用复杂的激光或真空装置,只是用了简单的光纤激光器装置和小型集成芯片,扫描电场的灵敏度能够要比以前好一百万倍。该研究的主要作者之一、DESY研究人员Felix Ritzkowsky解释说,“利用我们的新技术,我们甚至可以制造出能够观察光振荡的示波器”,该国际团队现在已将此研究发表在《自然光子学》杂志上。 自上个世纪以来,示波器一直是最重要的科学仪器之一,并且几乎在世界上每个实验室中都可以找到。从医学上记录频率在赫兹范围内的心电图(ECG)(1赫兹(Hz)是每秒一次振荡)到兆赫兹(106 Hz)范围内的无线电和千兆赫兹(109 Hz)范围内的现代计算机,它可以使具有广泛的信号强度和频率范围的电信号可视化。使这些短时间范围内的信号可视化让我们可以深入了解物理系统及其性能。 示波器通过离散采样记录电场,是与观测频率无关的。因此,它通过在比波周期短得多的间隔内确定波的各自高度来测量波的形状。在常规电子设备中,这类似于频闪照相系列,是通过快速切换电路并读取信号的瞬时场强完成的。 在现代光学中,处理例如拍赫兹(1015 Hz)范围内的电磁波时,由于常规示波器无法直接使用,因此需要使用多种直接和间接光学方法来记录光波。 然而,在他们目前的研究中,研究人员现在已经能够证明,常规示波器的扫描技术也可以适用于纳米天线中电子脉冲的阿秒切换。 利用这些只有数百纳米的金属纳米天线可以有效地捕获光波并且能使天线以光的频率振荡。被该团队捕捉到的闪光非常短,它们只包含光波的两次振荡。它们产生的振荡足以使电子发生量子隧穿发射,产生数百阿秒的短电脉冲。类似于太阳能电池或光电二极管,通过同时使用许多纳米天线,并且可以增加电流,可以使用常规电子设备测量释放的电荷。为了扫描电场,现在可以使用飞秒激光脉冲生成阿秒电流脉冲。如果该电流与要测量的第二个电场或光波相互作用,则该电场的瞬时电压会在电流脉冲的振幅上引起微小变化。这个变化可以用电子学方法读取。现在如果在很短的间隔重复执行此操作,就可以重建完整的电信号。由于采样脉冲的极短性,该技术可潜在地用于测量频率低于拍赫兹范围的信号。 这项技术是超短光脉冲与物质相互作用应用中的重要进展,将允许以更高的灵敏度和阿秒分辨率及时研究新的现象。对麻省理工学院这个研究方向有影响的、汉堡DESY的首席科学家FranzK&auml;rtner说,“新型的拍赫兹示波器有可能从根本上改变光学领域的测量技术,尤其是光谱学”,“该方法可以使用一台仪器通过光谱学确定从微波范围到紫外线范围的传输振幅和相位,而该仪器在将来可以缩小为芯片大小的尺寸”。麻省理工学院该项目的首席研究员菲利普&middot;凯斯利Phillip Keathley展望了其广泛的潜在应用:“例如,这种方法将帮助研究人员更好地了解植物或光伏中光的吸收机理,或更好地识别复杂生物系统中的分子指纹 ”。 金制纳米天线的扫描电子显微镜图像。这些三角形就是真正的纳米天线。类似避雷针,它们在顶端产生一个很高的电场。这个电场产生电子脉冲,该电子脉冲被长带状线捕获并随后用常规电子设备读出。(图片:M. Turchetti,麻省理工学院) 实验中使用的纳米天线在一块玻璃芯片上制成的,并完全集成到印刷电路板上。(图片:N.Abedzadeh,麻省理工学院) 消息来源:https://photon-science.desy.de/news__events/news__highlights/nanoantennas_pave_the_way_to_compact_petahertz_oscilloscopes/index_eng.html
2021-04-22
advanced photonics
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advanced photonics
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2021-04-22
Nat. Commun.: 单个钙钛矿纳米晶的共振激发揭示了激子-声子耦合
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Nat. Commun.: 单个钙钛矿纳米晶的共振激发揭示了激子-声子耦合
钙钛矿纳米晶体由于其潜在的量子信息应用而在最近引起了极大的研究关注,这在很大程度上取决于强大的光学技术的发展,以解决精细的激子光物理。南京大学Xiaoyong Wang, Min Xiao和华盛顿州立大学Zhi-Gang Yu 等人已经实现了单个钙钛矿CsPbI3纳米晶体的共振和近共振激发,而散射的激光仅占总收集信号的10%。 这使我们能够为单个CsPbI3纳米晶体的发射态估计约11.32 &micro;eV的超窄光致发光激发线宽,对应于?116.29 ps的激子移相时间。同时,可以从单个CsPbI3纳米晶体解析尺寸量化的声子,该晶体与激子的耦合被认为是由压电势引起的。从单个CsPbI3纳米晶体收集共振荧光的能力,以及随后的激子-声子声子耦合的揭示,标志着迈向稳定地发展为高级量子光源的关键一步。 Lv, Y., Yin, C., Zhang, C. et al. Exciton-acoustic phonon coupling revealed by resonant excitation of single perovskite nanocrystals. Nat. Commun. 12, 2192 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22486-5 消息来源: 知光谷
2021-04-21
袁明鉴Nat. Commun.: 16.4%效率!超大面积的钙钛矿LED
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袁明鉴Nat. Commun.: 16.4%效率!超大面积的钙钛矿LED
有效面积的增大会严重影响钙钛矿发光二极管(PeLED)的性能。南开大学袁明鉴等人研究了钙钛矿发光层制造方法的失效机理。理清了严重的相分离是其稳定性差的原因。并引入了L-正缬氨酸以构建低形成焓的COO-配位中间相。新的中间相改变了准二维钙钛矿的结晶途径,从而抑制了相分离。 基于此方法,获得了具有期望特性的高质量大面积准2D薄膜(PEA2(FA0.7Cs0.3)n&minus;1PbnBr3n+1 (n&thinsp;=&thinsp;2, 3, &hellip;, &infin;))。在此基础上,研究人员进一步合理地调整了薄膜的复合动力学。 结合多种策略,制备了一系列高效的绿色准2D PeLED,其有效面积为9.0 cm2。在n = 3时达到了16.4%的峰值外量子效率,代表了迄今为止最有效的大面积PeLED。同时,在基于<n> = 10的薄膜器件中实现了高达9.1&times;104 cd m-2的亮度。 Sun, C., Jiang, Y., Cui, M. et al. High-performance large-area quasi-2D perovskite light-emitting diodes. Nat. Commun. 12, 2207 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-22529-x 消息来源: 知光谷
2021-04-21
南工安众福、黄维等AOM:共晶型室温磷光材料的研究进展
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南工安众福、黄维等AOM:共晶型室温磷光材料的研究进展
由于在光电,传感,生物成像,加密,逻辑门等领域具有应用前景,室温磷光(RTP)一直是当前科学技术中活跃的研究方向之一。纯有机磷光材料具有来源广、易于设计合成、柔性、低成本、低毒性等优势,近年来受到了研究人员的广泛关注。目前,人们通过主客体掺杂、晶体工程、超分子自组装等手段已经获得了一系列具有优异光学性能的RTP材料。共晶是晶体工程中重要方面,可以将两种或多种化合物通过非共价键的形式结合以调控或改善材料的性能,受到了广泛的关注。通过共晶的手段构筑RTP材料体系,既可以进一步优化和改善RTP材料的光学性质,也为深入研究高性能RTP材料的内在发光机制提供了平台。 南京工业大学先进材料研究院安众福教授和黄维院士课题组近日在Advanced Optical Materials上综述了近年来共晶型室温磷光材料的研究进展。作者首先介绍了磷光的发光机理及调控磷光发光性质的手段,主要包括重原子效应、H聚集,n-&pi;跃迁以及共晶和主客体掺杂。其中,有机磷光材料可以与具有不同杂/卤原子的&pi;共轭分子通过弱分子间相互作用形成共晶,因此可以进一步优化和改善RTP的发光特性。因此,作者从RTP共晶材料的设计策略开始,根据共晶中存在的典型相互作用,如卤键,氢键,离子键,&pi;-&pi;相互作用力等,对已报道的RTP共晶材料进行了分类。综述主体详细总结了目前已报道的共晶型RTP材料的光学性质与自组装作用力,重点讨论了各种作用力对磷光共晶光学性能的影响。现有的共晶型RTP材料表明通过控制单个分子的化学计量比,可以有效地调控发色团的分子堆积,实现对磷光激发态性质的调节。同时,与单组分晶体相比,共晶中所形成的新的分子间相互作用力也可以为发色团提供额外的刚性,有效地抑制三线态激子的非辐射跃迁。此外,共晶中存在的杂/卤原子也将进一步促进磷光分子的SOC,有效地促进系间窜跃过程。最后,作者讨论了目前在构筑共晶型RTP材料方面面临的一些挑战,如共晶组装的机理有待明确,有机共晶对磷光发光过程的影响机制有待进一步探讨等,并希望在未来能够开发出更多新型的共晶型RTP材料体系,以进一步完善对该领域的认知。 消息来源:MaterialsViews
2021-04-21
浙工大汪晶、黄亮等AM:用于实时可视化监控食品质量的荧光金属有机框架
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浙工大汪晶、黄亮等AM:用于实时可视化监控食品质量的荧光金属有机框架
在食品生产、配送、制备和消费过程中,不恰当的处理可能导致严重的公共卫生风险。例如,食用变质的食物每年会导致数千万人患病,数十万人死亡。食物变质时会产生生物胺,最具代表性性的是组胺,可引起人体的过敏反应,如低血压、皮肤刺激、头痛,甚至导致死亡。为应对日益严重的食品安全问题,探索简单高效的食品质量检测技术已迫在眉睫。此外,准确、实时的食品质量评价可以避免不必要的食品浪费,挽回不必要的经济损失。 在过去的几十年里,荧光传感技术因其无创性、快速响应和高灵敏度而受到广泛关注。特别是它具有将荧光探针和相关检测附件集成为便携式监控系统中的潜力。我们对荧光探针检测食品质量的大量研究进行了调查,发现它们中的大多数会产生单信号响应(开/关模式),一些与分析物无关的因素,如探针光漂白、样品光散射和激发光波动,可能会干扰检测的准确性和灵敏度。基于两个或多个信号的比率荧光探针具有自校准能力并且可以产生具有明显色相区别的不同颜色,以便肉眼进行可视化识别。实现比率荧光技术革命的一个关键在于开发新的探针材料。作为一种新兴的探针材料,金属有机框架(MOF)因其高比表面积、可调节的金属离子种类和多样的功能位点而在传感和检测方面具有特殊的前景。MOF探针量身定制的结构可以提供特定的主客体相互作用,用于选择性识别目标分子。据报道,一些双/多发射MOF通过电子离域诱导的发射红移、限制诱导的增强效应和能量转移用于鉴定胺化合物。然而,基于MOF的生物胺比率荧光传感器很少被报道。这是因为:1)双/多发射MOF的比例调节通常受到残余配体荧光、来自不同发射中心的能量转移以及复合物结构稳定性的限制。因此,对生物胺的荧光响应行为很难控制,最终的检测浓度范围总是超过实际需要。2)大多数检测模式依赖于具有固定参比信号的比率检测,并且来自探针材料荧光颜色的变化在期望的检测范围内通常是缓慢的,因此难以将其与便携式传感终端集成应用于现场实际应用。 浙江工业大学汪晶、黄亮研究团队与德州大学圣安东尼奥分校陈邦林教授首次通过将镧系MOF(EuMOF)与5-异硫氰酸荧光素(5-FITC)分子共价偶联,成功地制备了双发射比率荧光探针。在这项工作中,5-FITC被选为发射中心,因为它的异硫氰酸酯基团可以通过亲电加成反应很容易地被胺基修饰,并且它具有对酸碱度敏感的绿色荧光,可以与Eu3+发射的红色荧光结合形成高分辨的颜色识别系统。基于FITC 响应pH产生的结构变化、分析物诱导的能量转移、分析物与EuMOF和探针之间的特殊相互作用所结合并产生的双信号响应机制,所获得的EuMOF-FITC探针在生物胺指数范围(&asymp;5-50 mg/L)内对目标生物胺具有快速响应和优异的灵敏度。与现有材料相比,该探针显示出高度可辨别的荧光颜色变化。通过简单的掺杂方法,探针可以进一步与市售的玻璃纤维膜复合。此外,通过与基于智能手机的便携式监控系统相结合,EuMOF-FITC复合膜成功地指示了鱼肉样品的新鲜度。 研究者相信,此项研究将会为MOF为基础的比率荧光探针材料提供新的设计策略,并为集成监控系统应用于食品安全领域提供新的思路。 消息来源:MaterialsViews
2021-04-21