近日，暨南大学关柏鸥教授、黄赟赟研究员和团队开发出一种微纳光纤“纤上实验室”。
既能用于模拟光纤表面的光电催化反应并进行实时解析，也解决了测量光电催化表面的关键参数时所面临的挑战。
研究中，课题组在微纳光纤的表面，以有序、定量的方式，组装了一层光电催化剂，借此形成了微纳光纤“纤上实验室”。
然后，他们将激发催化反应的光源，替换为泵浦激光并将其耦合于光纤之中。
进而，通过倏逝场激发了光纤表面的光催化效应，实现了对于光电催化反应过程的模拟。
由于倏逝场具备快速的响应能力，并且其穿透深度在亚微米尺寸范围之内，因此能够感知表面“纤上实验室”的反应过程。
同时，还能实时监测催化剂表面的反应物浓度和热效应这两大关键参数。
总的来说，对于监测光电催化过程和产热来说，本次成果带来了一种新方法，填补了此前监测技术的重大空白。
不仅针对化学事件和热事件实现了实时、原位和亚微米级的分析，也展示了光电催化监测领域的重大进步，对于光化学分析技术的发展具有重要意义。
（来源：Advanced Science）在应用前景上，本次技术能直接用于光电催化反应中，以原位、实时、连续的方式，监测催化剂表面的反应物浓度变化和催化产热过程。
同时，也能解码传感器附近亚微米尺度范围之内的其他物理事件和化学事件。
（来源：Advanced Science）
不简单的“纤上实验室”
而要想理解本次成果，得从太阳能说起。
作为一种清洁能源，太阳能具有清洁、安全、可持续、无污染等优点，能够转化为化学能源加以利用，从而能够提供解决环境污染和能源短缺的潜在途径。
光电催化技术，则是一种能在温和条件下将太阳能转化为化学能、且不会引起任何二次污染的技术，也是解决环境问题和能源挑战的重要途径。
正因此，近年来几乎每年都有大量优秀的光电催化剂设计与合成成果涌现。
而在催化过程之中，催化剂表面的反应物浓度变化和催化产热，是影响催化效能评价和反应机理解读的关键参数。
这两个参数主导着催化剂的宏观反应，并对评价催化剂的内部构效关系有着重要影响。
为了深入理解光电催化机制、并进一步提升催化性能，很有必要针对催化剂的表面局部反应物浓度和温度变化，开展从宏观尺度到微观尺度的监测和分析。
此前，已有许多研究致力于寻找新的表征方法，以便提供有价值的催化参数信息。
这些表征技术包括：气相色谱-质谱法、紫外-可见吸收光谱法、拉曼光谱法。此外，热电偶、扫描热显微镜和红外热成像仪，也被用于检测催化剂的温度。
然而，这些方法通常需要大型、昂贵、复杂的仪器，并且缺乏原位的连续监测能力。
在微观尺度特别是在固液界面上，持续地原位监测反应物浓度和催化剂表面温度，存在较大的难度。
原因不仅在于检测工具的分辨率较低，也因为表面物质和热量会快速扩散到溶液之中。
与此同时，此前人们很难以快速、高精度、高空间分辨率的方式，捕获表面局域化的物质和热信号。
此外，环境的物质和温度波动，将不可避免地干扰催化剂表面关键参数的监测，以至于给催化机理的研究带来了较大障碍。
要想解决这一挑战，就得开发能在亚微米尺度上获取催化剂表面关键参数信息的新型传感器技术。
光纤传感器，为解决上述问题提供了一种极具前景的方法。它们由化学惰性的氧化硅玻璃制成，具有高灵敏度、瞬时响应和抗电磁干扰能力。
利用亚微米尺度的倏逝场，光纤传感器能与表面亚微米尺度范围内的物质发生相互作用。
而近年来新兴的“纤上实验室”，可以将功能纳米结构集成到光纤外部曲面，为探索光纤新功能提供了诸多可能性。
得益于较长的交互长度、以及更易获得的微/纳米技术，“纤上实验室”让人们得以沿着光纤表面构建多功能光子元件。
在现有的光纤传感器之中，微纳光纤具有紧凑的传感结构，在包层模式之下能让光穿透整个光纤环境。
因此，它能在亚微观尺度上促进光与物质之间的强相互作用，所以非常适合进行微尺度实验，进而用来研究光物理和光化学相互作用。
（来源：Advanced Science）
“这是每个科研人都会有的表情”
多年来，关柏鸥、黄赟赟团队专注于研究光纤生物化学传感器。此前，他们曾打造出一款光纤传感器，并具有结构小巧、操作便捷、适合原位监测等优势。
于是，他们设想：能否开发一种集成微反应器的光纤传感器，在其表面实现催化反应，并利用表面光与物质相互作用，实现催化反应关键参数的实时监测？
为此，他们开展了本次课题，并发现在光纤表面反应层的形成过程中，要想让光纤在每个反应过程中都能实现信息和传感器的可重复性，就必须以单层、有序的方式来组装催化剂。
于是，他们尝试了多种光纤表面功能化方法，实现了对于催化剂层的定量、有序的组装。
而将外接的催化反应激发光源集成到光纤之中，并通过光纤来传导催化反应的激发光，也是本次课题的关键目标之一。
因此，只有这样才能让器件变得更加集成和更加小型化，也才有利于器件的应用。
为此，他们针对光纤直径进行拉细处理，以便让泵浦光源能够在光纤锥区倏逝到表面，从而激发表面催化层的催化反应。
担任本次论文共同一作的暨南大学博士生梁家炫表示，由于此次所需的光纤传感器必须具备结构小巧、灵敏度高等特点，这让器件制作变得尤为复杂。
期间，他们从光纤种类、微光纤尺寸、刻写布拉格光栅激光器功率上不断试验，最终做出了能够满足实验要求的微光纤传感器。
梁家炫表示：“我至今记得硕士师妹在每次尝试失败后的失望表情，这是每个科研人都会有的表情。但我时常会安慰道：行不通就改，自信一点。”
对于实验失败他看得很坦然：毕竟不是所有实验都会按计划进行，但却可以从每次失败中积累经验。
而为了保证有仪器使用，他和师妹看到了凌晨 4 点的暨南大学校园，也时常因为做实验而被宿管阿姨记晚归。
梁家炫继续说道：“论文投稿成功并顺利收到 DOI，也是我们最难忘的时刻，也让我们感到所做的一切都是值得的。”
“我记得当时我们还在开组会，会上导师黄赟赟收到一封邮件后，露出了久违的微笑并对我和师妹说：‘论文被正式接收了，有 DOI（Digital Object Unique Identifier，数字对象唯一标识符）了。”他说。
那一刻对于导师黄赟赟而言，可能是一个轻松平静的过程，但对于梁家炫和师妹来说则是一个学业生涯的里程碑，这意味着他们终于可以顺利毕业。
图 | 研究团队合影（来源：课题组）黄赟赟是第一作者兼共同通讯，牟彩妮和梁家炫是共同一作，暨南大学教授关柏鸥担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Advanced Science）
如前所述，该团队专注于光纤生物化学传感器的研究。
目前，在生物方面，他们正在开展细菌和肿瘤的临床检测与治疗，并已经完成临床样品的检测，眼下正在和医学专家开展合作。
在化学传感方面，除了研究催化剂关键参数的检测之外，其也正在利用传感器开展电信号和生物产电的研究。相信不久之后，他们还将迎来新的惊喜。
参考资料：1.Huang, Y., Mou, C., Liang, J., Wan, J., Chen, P., & Guan, B. O. (2024). Operando Decoding of Surface Chemical and Thermal Events in Photoelectrocatalysis via a Lab‐Around‐Microfiber Sensor.Advanced Science, 2310264.
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