“碳達(dá)峰”和“碳中和”一直都是能源領(lǐng)域的熱點話題，作為助力“雙碳”戰(zhàn)略的生力軍，光伏產(chǎn)業(yè)具有舉足輕重的地位。目前光伏的主力是硅太陽能電池，它們具有效率高、穩(wěn)定性好、產(chǎn)業(yè)鏈完備、使用壽命長的優(yōu)勢。然而，晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率到達(dá)瓶頸，且從硅料到組件至少經(jīng)過4 道工序，單位制程需要3 天以上，同時還需要大量人力、運輸成本等。為了讓太陽能的利用更加便捷、高效且廉價，科學(xué)界和工業(yè)界正在研制新型太陽能電池；鈣鈦礦太陽能電池就是備受關(guān)注的后起之秀，鈣鈦礦疊層效率極限可達(dá)50%，而鈣鈦礦組件在單一工廠完成生產(chǎn)，原材料經(jīng)過加工后直接成組件，沒有傳統(tǒng)的“電池片”工序，大大縮短制程耗時。但是，如何制備大面積且能保持較高效率的鈣鈦礦太陽能電池，依然是難題，也成了制約其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。

       原速ALD在鈣鈦礦電子傳輸層、空穴傳輸層、鈍化層、封裝阻水層等領(lǐng)域已取得了突破性進展，獲得了業(yè)界的認(rèn)可。為了更高效地服務(wù)于世界光伏產(chǎn)業(yè)高地，原速也在上海建立了技術(shù)研發(fā)中心。截止目前，公司已形成服務(wù)于鈣鈦礦電池研發(fā)、中試、100MW、 GW級量產(chǎn)的產(chǎn)線ALD技術(shù)解決方案。

1、ALD-SnO2 應(yīng)用于鈣鈦礦電池電子傳輸層 

? ALD 相比于傳統(tǒng)沉積技術(shù)，在制備超薄膜時具有更優(yōu)異的均勻性和保形性，以及缺陷更少的優(yōu)點

2、ALD-NiO 應(yīng)用于鈣鈦礦電池空穴傳輸層 

? ALD 可用于制備性能優(yōu)異的超?。?10 nm）NiO 空穴傳輸層

3、ALD 應(yīng)用于鈣鈦礦電池鈍化層 

? ALD 超薄膜可以應(yīng)用于界面處，通過和懸掛鍵反應(yīng)的方式減少表面缺陷，或排斥載流子，達(dá)到鈍化的效果

4、ALD 應(yīng)用于鈣鈦礦電池封裝 

? 致密的 ALD 膜可達(dá)到有效的阻水氧的效果

       鋰離子電池在充放電過程中，鋰離子在正負(fù)極之間穿梭。在充電過程中，鋰離子從正極脫出經(jīng)過電解液和隔膜到達(dá)負(fù)極發(fā)生反應(yīng)。在放電過程中鋰離子從負(fù)極返回正極嵌入正極材料。在循環(huán)過程中，正極材料面臨許多的問題如自身體積的變化，晶體結(jié)構(gòu)的改變，界面結(jié)構(gòu)的退化等導(dǎo)致的容量衰減。同樣的，負(fù)極材料也面臨著體積膨脹，枝晶的生長導(dǎo)致的負(fù)極材料的粉碎溶解、從集流體表面剝離脫離、電接觸變差，短路等一系列問題，這些問題導(dǎo)致材料的容量和循環(huán)性能嚴(yán)重下降，甚至電池的起火爆炸。

       原子層沉積（ALD）薄膜沉積可以合成具有原子級精度的材料，基于自限的膜納米級的控制，可以實現(xiàn)多組分膜的化學(xué)成分控制、大面積的薄膜/工藝的可重復(fù)性，具備低溫處理以及原位實時監(jiān)控等技術(shù)特征。該技術(shù)在鋰離子電池，太陽能電池，燃料電池以及超級電容器中都具有廣泛的應(yīng)用。

      ALD已經(jīng)被公認(rèn)是一種非常有前途的工具可以用來解決鋰離子電池以及其他電能儲存設(shè)備所面臨的問題。ALD在鋰離子電池中的應(yīng)用主要分為兩個方面：(1)高性能電池電極，隔膜，集流體材料等的制備；(2)表面修飾。其應(yīng)用主要總結(jié)在下圖：

1、ALD在電極材料及電解質(zhì)制備中的應(yīng)用

a、ALD 用于負(fù)極材料的制備

采用ALD技術(shù)制備的負(fù)極材料主要集中在過渡金屬氧化物(TMOs), 如RuO₂, SnO₂, TiO₂和ZnO. 其能量密度比傳統(tǒng)的石墨電極高。同時，為了解決TMOs負(fù)極材料所面臨的挑戰(zhàn)，如SnO₂在循環(huán)過程中較大的體積變化，TiO₂低的電子跟離子電導(dǎo)率，由超高電導(dǎo)率的碳基材料如石墨烯，碳納米管以及Mxenes與TOMs組成的復(fù)合負(fù)極材料可以很好的融合兩者的優(yōu)勢。

如：ALD制備的TiO₂/CNF-CFP(carbon fiber paper)負(fù)極，具有高可逆容量（272 mAh g^?1 at 0.1 A g^?1），超高倍率性能(133 mAh g^?1 at 40 A g^?1) 以及超長循環(huán)穩(wěn)定性（≈ 93%容量保持率在10000 圈 at 20 A g^?1）。

b、用于正極材料的制備

通過ALD技術(shù)制備的正極材料有非鋰化正極如V₂O₅, FePO₄; 鋰化正極如LiFePO₄, LiCoO₂以LixMn₂O₄。

如TiO₂/V₂O₅/@CNT paper正極在100 mA g^-1的電流密度下的放電比容量為400 mAh g^-1，達(dá)到了理論放電比容量。 同時，正極材料V2O5的溶解問題可以通過TiO₂層得到，同時不損失容量跟倍率性能。

c、SSEs固態(tài)電解質(zhì)的制備

歸功于其安全性及循環(huán)穩(wěn)定性，全固態(tài)鋰離子電池近來成為了研究的熱點。ALD可以解決全固態(tài)鋰離子電池所面臨的兩大關(guān)鍵性挑戰(zhàn)：a.高界面阻抗，b.低離子電導(dǎo)率。 最近采用ALD制備的固態(tài)電解質(zhì)有LiPON, Li7La₃Zr₂O₁₂, LixAlySizO, LixTayOz, LixAlyS and Li₂O-SiO₂.這些含鋰SSEs提供了一個關(guān)鍵的技術(shù)平臺來制備高能量密度，長壽命以及安全的可充放電池。如下圖所示，ALD制備的LLZO為制備3D全固態(tài)鋰離子微電池提供了一條技術(shù)路線。

2、ALD在電池電極，隔膜，集流體等表面修飾領(lǐng)域的應(yīng)用

a、ALD對負(fù)極表面修飾的應(yīng)用

在負(fù)極材料中，ALD表面/界面修飾技術(shù)主要為了解決從SEI膜引發(fā)的系列問題。在循環(huán)過程中，SEI膜的大量形成以及體積變化會引起電極的破壞，從而引發(fā)新的暴露面導(dǎo)致容量的衰減。如在石墨負(fù)極表面沉積Al2O3可以在電池循環(huán)了200圈之后有效地保持98%的首圈容量。

鋰金屬作為負(fù)極材料的未來之星，在鋰金屬的沉積跟剝離過程中，鋰枝晶的生長導(dǎo)致電池短路的問題亟待解決。采用ALD技術(shù)在鋰金屬表面構(gòu)建例如有機/無機復(fù)合人工SEI膜，可以有效地抑制鋰枝晶的生長。

b、ALD對正極表面的修飾作用

為了解決正極材料表面所面臨的電解液分解，相變，析氧以及過渡金屬溶解等問題,采用ALD技術(shù)在正極材料表面沉積保護層可以作為物理阻擋層或者HF清除層，從而有效地提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性跟倍率性能。在正極材料（層狀結(jié)構(gòu)：LiCoO₂, LiNixMnyCozO₂,富鋰(Li-rich)xLi₂MnO₃·(1 ? x)LiMO₂(M = Mn, Ni, Co)，尖晶石結(jié)構(gòu)LiMn₂O₄)表面沉積的ALD鍍層主要可以分為四類：a金屬氧化物：Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂, MgO, CeO₂, Ga₂O₃; b氟化物：AlF₃, AlWxFy; c磷化物：AlPO₄,FePO₄; d含鋰化合物：LiAlO₂, LiTaO₃, LiAlF₄。

　　手持光譜儀在貴金屬檢測方面有著廣泛的應(yīng)用。以下是幾個常見的應(yīng)用領(lǐng)域：

　　貴金屬鑒別：手持光譜儀可以通過分析貴金屬的光譜特征，確定其成分和純度。通過比對樣品光譜與已知貴金屬光譜數(shù)據(jù)庫，可以快速識別和鑒別金、銀、鉑等貴金屬。

　　市場監(jiān)管：在貴金屬市場監(jiān)管中，手持光譜儀可以幫助監(jiān)測機構(gòu)或消費者驗證貴金屬產(chǎn)品的真?zhèn)?。通過對樣品進行光譜分析，可以確認(rèn)產(chǎn)品是否含有標(biāo)稱的貴金屬成分，防止假冒偽劣產(chǎn)品出現(xiàn)。

　　防偽溯源：手持光譜儀可以用于貴金屬產(chǎn)品的溯源和防偽。通過建立貴金屬產(chǎn)品的光譜數(shù)據(jù)庫，可以對產(chǎn)品進行標(biāo)識，并通過光譜特征進行溯源驗證，確保產(chǎn)品的來源和真實性。

　　公安安全：手持光譜儀可用于犯罪現(xiàn)場勘查中貴金屬物證的鑒定。通過采集物證樣品的光譜，與參考光譜對比分析，可以確定物證中是否含有貴金屬，提供調(diào)查破案的線索。

　　環(huán)境監(jiān)測：貴金屬在環(huán)境中的存在常常與污染有關(guān)。手持光譜儀可以用于現(xiàn)場快速檢測土壤、水體和空氣中貴金屬的含量，幫助環(huán)保部門進行環(huán)境監(jiān)測和污染源追蹤。

　　手持光譜儀的應(yīng)用在貴金屬領(lǐng)域具有非常重要的意義，它能夠提供快速、準(zhǔn)確的貴金屬分析結(jié)果，為各個領(lǐng)域的工作提供支持和保障。

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      在微納集成器件進一步微型化和集成化的發(fā)展趨勢下，現(xiàn)有器件特征尺寸已縮小至深亞微米和納米量級，以突破常規(guī)尺寸的極限實現(xiàn)超微型化和高功能密度化，成為近些年來的熱點研究領(lǐng)域。微納結(jié)構(gòu)器件不僅對功能薄膜本身的厚度和質(zhì)量要求嚴(yán)格，而且對功能薄膜/基底之間的界面質(zhì)量也十分敏感，尤其是隨著復(fù)雜高深寬比和多孔納米結(jié)構(gòu)在微納器件中的應(yīng)用，傳統(tǒng)的薄膜制備工藝越來越難以滿足其發(fā)展需求。ALD 技術(shù)沉積參數(shù)高度可控，可在各種尺寸的復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)基底上，實現(xiàn)原子級精度的薄膜形成和生長，可制備出高均勻性、高精度、高保形的納米級薄膜。

       微機電系統(tǒng)(MEMS)是尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統(tǒng)，主要由傳感器、動作器(執(zhí)行器)和微能源三大部分組成，廣泛應(yīng)用于智能系統(tǒng)、消費電子、可穿戴設(shè)備、智能家居、系統(tǒng)生物技術(shù)的合成生物學(xué)與微流控技術(shù)等領(lǐng)域。MEMS的構(gòu)造過程需要精細(xì)的微納加工技術(shù)，而工作過程伴隨著器件復(fù)雜的三維運動，其中ALD技術(shù)均可發(fā)揮重要作用，ALD具有高致密性以及高縱寬比結(jié)構(gòu)均勻性，為MEMS機械耐磨損層、抗腐蝕層、介電層、憎水涂層、生物相容性涂層、刻蝕掩膜層等提供優(yōu)質(zhì)解決方案。

       磁隧道結(jié)(MTJ)是由釘扎層、絕緣介質(zhì)層和自由由層的多層堆垛組成。在電場作用下，電子會隧穿絕緣層勢壘而垂直穿過器件，電子隧穿的程度依賴于釘扎層和自由層的相對磁化方向。隨著MTJ尺寸的不斷縮小以及芯片集成度的不斷提高，MTJ制備過程中的薄膜生長工藝偏差和刻蝕工藝偏差的存在，將會導(dǎo)致MTJ狀態(tài)切換變得不穩(wěn)定，并降低MTJ的讀取甚至?xí)?yán)重影響NV-FA電路中寫入功能和邏輯運算結(jié)果輸出功能的正確性。ALD技術(shù)沉積參數(shù)高度可控，可通過精準(zhǔn)控制循環(huán)數(shù)來控制MTJ所需達(dá)到的各項參數(shù)，是適用于MTJ制造的最佳工藝方案之一。

      生物物理學(xué)微流體器件可由單個納米孔和電極組成，也可以由許多納米孔陣列組成，可同時篩選、引導(dǎo)、定位、測量不同尺度的生物大分子，在生物物理學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。生物納米孔逐漸受到了人們的普遍重視引起了人們的廣泛興趣，尤其是納米孔作為生物聚合物的檢測器件，為一些生物化學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究提供了研究的平臺。然而生物納米孔所固有的一些缺陷也很明顯，如生物相容性差及微孔的尺寸不可更改等；針對于此，ALD技術(shù)可通過表面修飾，改善納米孔的生物相容性，同時提升抗菌抑菌和促進細(xì)胞合成。

圖一: ALD Al2O3(僅~10 nm)可作為MEMS齒輪高硬度潤滑膜

圖二：ALD應(yīng)用于低溫MEMS器件構(gòu)造

圖三：MRAM磁隧道結(jié)（MTJ）存儲元件

圖四：一種具有納米蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的細(xì)菌纖維素膜

一、研究背景

在嚙齒動物中，BAT（Brown Adipose Tissue，棕色脂肪）是一個新陳代謝組織。不同于白色脂肪，棕色脂肪因含有豐富的血管和大量的線粒體，而呈現(xiàn)棕紅色的外觀，可以在寒冷或饑餓環(huán)境下分解線粒體、為生物體提供能量。長久以來，棕色脂肪被認(rèn)為只存在于小型哺乳動物和嬰幼兒中，而近期的研究發(fā)現(xiàn)，棕色脂肪同樣存在于成人體內(nèi)，并在能量平衡調(diào)節(jié)方面發(fā)揮重要的功能。由此，棕色脂肪在能量代謝相關(guān)疾病如肥胖、Ⅱ型糖尿病以及代謝紊亂等ZL領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛能，關(guān)于棕色脂肪的功能和應(yīng)用也迅速成為一個新的研究熱點[1]。

如何測量棕色脂肪一直是困擾科研人員的一個問題，早期的研究可能需要把實驗動物處理，剝離脂肪進行測量，但這種方法并不精確，且無法對棕色脂肪的變化情況進行追蹤；研究發(fā)現(xiàn)，棕色脂肪對葡萄糖有高攝取，使得18F-FDG（18F標(biāo)記的葡萄糖類似物）可反映棕色脂肪的能量代謝情況[2][3]，因而小動物PET/CT可以有效評價棕色脂肪的活動，提供棕色脂肪在機體中活動的直觀數(shù)據(jù)，是研究小動物棕色脂肪的一種有效方法和重要工具。

二、研究內(nèi)容

提醒事項：因在肥胖研究中，白色脂肪棕色化、棕色脂肪激活具有重要意義，因而動物實驗中常會用到肥胖體型的實驗動物，所以對PET設(shè)備的動物艙尺寸以及有效視野有較高的要求。

小知識點：被掃描動物的橫向直徑（動物體寬）＜動物艙內(nèi)徑＜PET橫向有效視野，滿足此條件才能重建成像。

本實驗使用的設(shè)備為平生公司的小動物PET/CT（型號：Super Nova?），該設(shè)備的大號動物艙內(nèi)徑為89mm，橫向有效視野為100mm，該尺寸滿足實驗用肥胖大鼠、鼠兔、豚鼠的體寬。

研究者將高原鼠兔作為研究對象，利用Super Nova PET/CT系統(tǒng)（平生YL），觀察高原鼠兔在低溫環(huán)境下，其體內(nèi)的肩胛骨處棕色脂肪激活狀態(tài)。高原鼠兔是一種生活于海拔3200~5200米土坡上的嚙齒動物，體態(tài)渾圓，是青藏高原的特有物種。有研究表明，高海拔地區(qū)的鼠兔較低海拔鼠兔皮下脂肪會表現(xiàn)出脂肪代謝能力的適應(yīng)性改變：棕色脂肪的含量增加，以及棕色脂肪的產(chǎn)熱能力的增加。

研究者將實驗組高原鼠兔始終置于低溫環(huán)境中，再與常溫環(huán)境下的對照組高原鼠兔一起，注射18F-FDG后進行PET/CT掃描，結(jié)果顯示對照組的肩胛骨處棕色脂肪無明顯攝取，而實驗組的肩胛骨處棕色脂肪有明顯攝取。

實驗注明：因棕色脂肪在肩胛骨分布較多，本實驗主要探究高原鼠兔實驗組和對照組在肩胛骨處棕色脂肪激活狀態(tài)。Super Nova? PET/CT系統(tǒng)擁有130mm單床位軸向掃描視野范圍，可在一個床位下完成鼠兔軀體掃描，能夠及時有效獲取脂肪代謝動態(tài)圖像信息。

三、結(jié)論

該實驗表明，在寒冷刺激下，高原鼠兔肩胛區(qū)棕色脂肪激活顯著增加，可以利用小動物PET/CT系統(tǒng)進行活體持續(xù)性的研究。

鳴謝：青海大學(xué)在使用平生公司的小動物PET/CT設(shè)備后提供的實驗數(shù)據(jù)和圖片分享。

文中注釋：

[1].     Cypess, A.M. & Kahn, C.R. The role and importance of brown adipose tissue in energy homeostasis. Curr. Opin. Pediatr. 22, 478-84 (2010).

[2].     Baba S, Tatsumi M, Ishimori T, et al. Effect of nicotine and ephedrine on the accumulation of 18F-FDG in brown adipose tissue[J]. Journal of Nuclear Medicine, 2007, 48(6): 981-986.

[3].     Borga M, Virtanen KA, Romu T, et al. Brown adipose tissue in humans: detection and functional analysis using PET (positron emission tomography), MRI (magnetic resonance imaging), and DECT (dual energy computed tomography) [J]. Methods Enzymol, 2014, 537: 141-159.

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從植物中制成的蛋白質(zhì)可以補充動物性蛋白質(zhì)的不足。大豆、花生、實驗室噴霧干燥機向日葵的籽和葉、飼料作物、土豆塊徑等能加工為植物蛋白，加工時涉及到的主要過程是萃取和噴霧干燥。

大豆有很高的營養(yǎng)價值，其中含有豐富的蛋白質(zhì)。豆油是一種zui重要的食油，榨出油后剩下的豆餅或豆粉就是生產(chǎn)大豆蛋白的原料。根據(jù)加工方法不同，從大豆粉中可以制造離析蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)含量高達(dá)92%）和濃縮蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)含量為60%~70%）兩種產(chǎn)品。

一、離析蛋白質(zhì)

常規(guī)方法用的是分批萃取，近年來發(fā)展的方法是連續(xù)萃取。在連續(xù)萃取過程中，大豆粉在溫?zé)岬臍溲趸c水溶液中逆流萃取。這時不溶的纖維物質(zhì)從萃取器器的一端排除，而大豆蛋白質(zhì)，碳水化合物和無機鹽類的清澄溶液則從萃取器的一端排除，而大豆蛋白質(zhì)、碳水化合物和無機鹽類的清澄溶液則從萃取器另一端排出。溶液的固含量為5%~10%。加鹽酸于溶液中至PH=4.3，可使蛋白質(zhì)沉淀下來，然后在離心機中分離蛋白質(zhì)和大豆乳清并將所得蛋白質(zhì)進行滅jun操作。再將蛋白質(zhì)堿度高速到PH=7，即為噴霧干燥的原料液實驗室噴霧干燥機。用噴霧干燥機干燥即可。

二、濃縮蛋白質(zhì)

近年來也發(fā)展了連續(xù)萃取法。過程和離析蛋白相類似，不同的是此處萃取是在微酸性溶液中于50℃時進行的。這時只有碳水化合物和無機鹽進行萃取溶液中。在連續(xù)萃取過程，懸浮的固相蛋白質(zhì)從萃取器的另一端排出，而萃取液在相反的一端排出。在分批萃取時，分離是在萃取器之后的離心機中進行的。懸浮的大豆蛋白質(zhì)需在膠體磨研磨以生成噴霧干燥的料液。

現(xiàn)在的光學(xué)在生物醫(yī)學(xué)方面的Z前沿的研究與應(yīng)用有哪些？