现有的主流微加工碱金属原子气室只有一个光学通道，不足以支持许多量子器件所需的正交光束配置。在本研究中，我们提出了一种用于制造多光通道微型原子气室的新型晶圆级制造工艺，以及一种批量加工毫米玻璃孔内侧壁以满足光通道要求的创新方法。表面表征和透射率测试表明，加工后的内侧壁符合气室光通道的标准。此外，一体化加工平台的搭建集成了多层非等温阳极键合、惰性气体填充以及惰性气体的回收和循环利用等功能。在不同的泵探方案下对氙-129（129Xe）和氙-131（131Xe）的吸收光谱和自由感应衰减信号的测量结果表明，所制造的原子气室适用于需要正交光路的量子器件，包括原子陀螺仪、双光束原子磁力计和其他光学/原子器件，所提出的微成型技术在光学器件加工领域具有广阔的应用前景。
脑电（EEG）分析能够从大脑信号中提取关键信息，实现脑部疾病诊断并为脑机接口提供重要支持。然而，以人工智能技术对脑电信号进行高能效分析，特别是使用大型神经网络模型，会给边缘计算设备上的电子处理器带来重大挑战。在此，我们提出了一种基于衍射光子计算单元（DPU）的脑电光子处理器，能够有效处理颅外和颅内脑电图信号并检测癫痫发作。每个时间窗内的多通道脑电信号被光学编码，输入构建的衍射神经网络进行分类，该网络能够监测大脑状态，识别癫痫发作。我们开发了自由空间和集成 DPU 组建的边缘计算系统，并在波士顿-麻省理工学院（CHB-MIT）颅外脑电数据集和Epilepsy-iEEG-Multicenter颅内脑电数据集上演示了它们在实时癫痫发作检测中的应用，取得了出色的计算性能结果。我们设计了通道选择机制，在数值仿真和实验结果中都验证了所提出的光处理器用于监督临床诊断时具有足够高的检测精度。我们的研究为利用光子计算技术处理大规模脑电信号开辟了新的研究方向，并促进了光计算更广泛的应用。
大视场成像和光谱探测在目标追踪、物质鉴别、反伪装探测等场景中扮演着至关重要的作用。由于两种功能对色散调控的需求不同，使得它们的内在架构完全不同，以至于难以在一个共口径系统中同时实现这两种功能。本文提出基于可调超构表面实现可重构双模式探测：通过电控的级联类悬链线超构表面，使得一个微型共口径超光学系统能够兼容大视场成像和偏振光谱探测两种功能，并在两种功能下皆可进行多目标探测与识别。在8~14 μm范围内，系统成像视场约为70°，成像分辨率约27.8 lp/mm，光谱分辨率约80 nm。该研究有望促进光谱仪、偏振成像仪等多功能光学系统的微型化进程，同时充分展示了超光学在生物医学、目标探测等领域的潜在应用价值。
本研究针对全球定位系统（GPS）信号受限环境下无人飞行器（UAV）的动态目标跟踪问题，提出了一种在速度观测器下的基于图像的视觉伺服（IBVS）控制方法。该方法通过构建虚拟相机，推导出应用于欠驱动无人飞行器上的简化且解耦的图像动力学模型，并进一步考虑了由于动态目标的不可预测旋转和速度变化所带来的不确定性影响。本研究提出了一种新的图像深度模型，该模型拓展了基于图像的视觉伺服方法的应用范围，使之能够对任意姿态旋转的目标进行跟踪。所提出的深度模型确保了在跟踪旋转目标过程中图像特征的准确性和图像轨迹的平滑性。此外，采用所提出的速度观测器来估计无人飞行器与动态目标之间的相对速度。得益于速度观测器，不再需要对平移速度进行测量，并有效减轻了因使用包含噪声的测量数据导致的控制振荡现象。为了提高抗干扰能力，本研究还设计了一种基于积分的滤波器，用于补偿不可预测的环境干扰。所设计的速度观测器和视觉伺服控制器通过李雅普诺夫方法对其稳定性进行分析。通过对比仿真与多阶段实验验证了所提方法对于动态旋转目标跟踪的稳定性能、抗干扰能力和鲁棒性跟踪能力。
谐振增强的介电传感具有出色的灵敏度和准确性，其传感信号是通过测量谐振峰频率的相对移动来实现的，因此可以减少信号幅值噪声的影响。在万物互联时代下，集成化小型化的传感系统成为必然的发展趋势。在本研究中，我们开发了一种小型化的传感系统，该系统将人工表面等离激元传感器、信号检测处理电路和无线通信模块融合在一起。我们提出了一种软件化的方案来进行谐振峰频移信号的检测，极大简化了硬件电路，并实现了智能化的自适应检测。该系统采用了微波频段的人工表面等离激元谐振器来增强传感灵敏度和谐振强度。最终，整个传感系统被集成在1.8 cm×1.2 cm的印刷电路板上，并通过蓝牙与智能手机连接。该系统可以在频率扫描模式和谐振跟踪模式两种不同模式下运行，且在丙酮蒸气检测中实现了高达69 dB的信噪比。本研究为谐振传感的物联化发展提供了有效的解决方案，展示了其在小型化、高精度、智能化等方面的巨大潜力。
本研究以N,N-二甲基乙醇胺，丙烷磺内酯和均三嗪为原料，合成一种带有反应性基团的两性离子磺酸甜菜碱中间体，然后以三嗪为桥基接枝到壳聚糖上得到三嗪类磺基甜菜碱改性壳聚糖（CS-SNCC），通过溶液流延法制备了可生物降解CS-SNCC抗菌膜。采用傅里叶变换红外（FTIR）、紫外-可见（UV-Vis）、能量色散X射线（EDX）和X射线分析光电子能谱（XPS）光谱对合成的CS-SNCC结构进行表征分析。对CS-SNCC膜的溶胀性能、热稳定性、生物降解性、细胞相容性和抗菌性能进行了全面系统的研究，并与壳聚糖膜进行了比较。酶生物降解性能测试结果表明，CS-SNCC薄膜在溶菌酶的作用下21天内可降解45.54%。CS-SNCC膜可以有效抵抗细菌黏附，防止细菌生物膜的形成，并表现出较高的抗菌活性，与CS膜相比，CS-SNCC膜表面黏附的细菌数目分别减少了86.89%和94.19%，并可在60 min内杀死93.43%的大肠杆菌和91.00%的金黄色葡萄球菌。此外，细胞毒性结果表明CS-SNCC膜显示出良好的细胞活性和细胞相容性。因此，制备的可生物降解、细胞相容、抗菌和生物膜控制的CS-SNCC膜具有极大的生物医学应用潜力。
分子筛作为固体酸催化剂具有酸性可控、择型催化、稳定性好等优点，广泛应用工业催化过程。对分子筛酸性进行精确调控，即可针对目标反应理性设计与合成其催化剂。二甲醚羰基化反应是一个典型的以C1为原料、链增长反应。该反应可选择性地由丝光沸石（MOR）8元环催化，提高8元环的Brønsted酸强度有望促进反应的进行。本文首先采用密度泛函理论计算（DFT）预测Sn改性对MOR酸性的影响。在理论计算结果的指导下，利用缺陷制造-杂原子取代两步后合成法制备了一系列Sn改性的MOR。通过部分脱硅，成功在保持分子筛酸性的前提下，制备了具有开放孤立四配位Sn位点的MOR催化剂。通过酸性表征确定Sn的引入提高了MOR的Brønsted酸强度，因此，在二甲醚羰基化反应中表现出优异的催化性能。动力学和DFT计算相结合，揭示了酸强度提高对反应的促进机制，即强酸可促进二甲醚的吸附与解离，并降低乙酰基生成的反应能垒，从而提高反应性能。本论文不仅为强酸对二甲醚羰基化反应的促进机制给出了深入理解，而且提出了一种可精确调控分子筛酸性的策略。
金属在基底上的分布模式能够影响过一硫酸盐（PMS）活化和污染物降解。本文通过调节原子层沉积循环参数，制备了铜单原子（SA-Cu）、团簇（C-Cu）和薄膜（F-Cu）负载的MXene催化剂。与在SA-Cu-MXene（Eads = － 4.236 eV）和F-Cu-MXene表面（Eads = - 3.548 eV）相比，PMS更容易吸附在C-Cu-MXene表面活化（Eads = - 5.435 eV），利用效率更高。C-Cu-MXene/PMS体系中活性物种的稳态浓度比SA-Cu-MXene和F-Cu-MXene活化的PMS体系高1~3个数量级，产生的SO4•−更多。SO4•−氧化对磺胺甲噁唑（SMX）降解的贡献顺序为：C-Cu-MXene（97.3%）>SA-Cu-MXene（90.4%）> F-Cu-MXene（71.9%），C-Cu-MXene/PMS体系中SMX的降解率最高，降解速率常数（k）为0.0485 min-1。此外，在C-Cu-MXene/PMS体系中，SMX降解过程产生的毒性中间体更少。通过这项工作，我们强调了PMS体系中多相催化剂设计的重要性。根据实际水处理需求选择合适的金属分布方式可以充分利用金属位点，产生特定的活性物种，提高氧化剂的利用效率。
起源于一般产品和服务的生命周期评价方法已逐渐被应用于建筑全生命周期碳排放（LCCE）的研究。本文通过文献综述厘清建筑LCCE内涵、计算和减量的相关研究现状。重点剖析全球161项研究共826个建筑碳排放计算案例，基于ISO 21930规定的建筑全生命周期阶段划分框架和排放因子法的基本原理。梳理建材生产、建造、使用、报废阶段和附加模块的碳排放计算方法，并统计获得各项结果分布区间。基于建筑碳排放分布与减碳热点的分析，从减少建材和能源活动数据、降低建材和能源碳排放因子、利用系统附加效益等六个方面，评估建筑碳减量技术要点和效益。最后，总结现有建筑LCCE研究目标与思路、计算方法、基础参数及技术路径存在的问题和挑战，并提出相应的发展建议。
柔性热电材料在智能可穿戴器件中发挥着重要作用，例如可穿戴发电机、自供电传感和个人热管理。然而，随着物联网（IoT）技术和人工智能（AI）的快速发展，对可穿戴电子产品的舒适性、多功能性和可持续运行提出了更高的标准，目前报道的热电器件仍然难以满足这些要求。在此，我们提出了一种基于热电针织物面料的多功能、可穿戴、无线传感系统，其透气性超过600 mm·s-1，最大应变为120%。该器件配合无线传输系统，可以通过手机应用程序（APP）实现对人体呼吸的实时监测。此外，还设计了高度集成的光热电转化系统，将光热转换和被动辐射冷却相结合，实现了太阳能驱动的面内温差供电并通过APP监测室外阳光强度。我们还根据针织物的各向异性，解耦了太阳照射下变形过程中电阻和热电压的复杂信号，使器件能够通过APP监测和优化运动员的户外身体活动。这种基于热电织物的新型可穿戴无线传感平台在下一代智能纺织品中具有广阔的应用前景。
利用废弃生物质通过链延长（chain elongation, CE）生产的正己酸可以供应各种化石衍生产品，从而推动碳中和的实现。富氮废弃生物质降解释放的氨可以充当厌氧生物过程（包括CE过程）中的营养物质或抑制剂，二者区别主要取决于氨的浓度。目前，使用乙醇作为电子供体进行开放培养正己酸生产的最佳氨浓度、毒性阈值以及潜在机制尚不清楚。本研究表明，生产正己酸的最佳氨浓度为2 g∙L−1，而超过此阈值的氨浓度会显著抑制CE性能。对该机制的探索揭示了两种形式的氨（即铵离子和游离氨）参与了这种抑制行为。高氨浓度（5 g∙L−1）诱导乙醇过度氧化并抑制逆β氧化（reverse β-oxidation, RBO）途径，直接导致负责乙酸形成的酶（磷酸转乙酰酶和乙酸激酶）活性增强，丁酰辅酶A：乙酰辅酶A转移酶、己酰辅酶A：丁酰辅酶A转移酶和己酰辅酶A：乙酰辅酶A转移酶活性降低，这些酶参与正丁酸和正己酸合成的。此外，微生物群落的优势菌属由Paraclostridium（0.1 g∙L−1氨）转变为Fermentimonas、Clostridium sensu stricto 12和Clostridium sensu stricto 15（2 g∙L−1氨）。然而，在过量氨（5 g∙L−1氨）条件下，这些具有CE功能的细菌大多不存在。宏基因组分析揭示了在2 g∙L−1氨条件下RBO、脂肪酸合成、K+外流、腺苷三磷酸酶（ATPase）代谢和金属阳离子输出等的功能基因上调，共同促进了正己酸产量的增加。相反，过量的氨会抑制上述功能（不包括金属阳离子输出）和 K+流入，从而削弱氨解毒和正己酸生物合成。本研究对影响正己酸生产的氨驱动机制进行了全面的阐明，预计将激励研究人员设计出有效的策略来减轻氨诱导的抑制作用。
农业覆盖膜作为温室和植物工厂不可或缺的组成部分，在调节小气候环境方面发挥着重要作用。聚乙烯覆盖膜可使全太阳光谱直接透过。然而，这种高的太阳光透过率可能不适合甚至有害于具有特定光热需求的作物。现代温室集成了农业覆盖材料、供暖、通风和空调（HVAC）系统以及智能灌溉和通信等技术，以最大限度地提高种植效率。本综述深入探讨了作物的光热需求和满足这些需求的方法，包括基于被动辐射制冷和光散射的新材料，评估温室能源消耗和环境条件的模拟，以及识别关键生物生长因子从而优化温室覆盖膜的数据挖掘。最后，阐述了光热管理农用薄膜未来的挑战和方向，以弥合实验室研究和大规模实际应用之间的差距。
光是地球上生命赖以生存所必需的环境因子，它不仅是能量来源，也是一种信号分子。真菌能通过光获取时间和空间信息，进而控制重要的生理和形态应答。Botrytis cinerea是一种危害性极大的植物病原真菌，它能利用光响应来优化致病能力，通过平衡产孢量和菌核发育，实现在不同环境中的传播和生存。然而，有关B. cinerea光信号转导组分及调控机制至今尚不清楚。在本研究中，我们从B. cinerea中鉴定到一个光信号转导途径的新组分BcCfaS，该基因编码一个环丙烷脂肪酰基磷脂合成酶。BcCfaS在转录水平上受光的显著诱导，并在光形态建成中发挥重要的调控作用。BcCfaS缺失可导致营养生长缓慢，菌落形态改变，产核减少和产孢增加，其变化与光照条件密切相关。此外，该突变体在逆境应答和对寄主的致病力方面表现出严重缺陷。基于脂质代谢组学分析，我们鉴定到了许多未知的且受BcCfaS调控的脂质，包括一些磷脂和脂肪酸。研究表明，BcCfaS通过正调控茉莉酸甲酯合成，在转录水平激活光信号组分基因表达，从而控制产孢和菌核发育，这些研究结果为深入认知真菌光形态建成的物质代谢基础提供了新证据。我们认为BcCfaS是整合光信号和脂质代谢的关键节点，揭示了真菌通过调节发育模式来应对光环境变化的协同机制。这些新发现为创制真菌病害防控策略提供了重要的靶点。
目前，还没有用于中枢神经系统急性淋巴细胞白血病（CNS-ALL）的有效靶向治疗策略。整合素α6具有促进CNS-ALL疾病进展的作用，因此被认为是CNS-ALL诊断和治疗的潜在靶点。我们通过丙氨酸扫描、截短和D型替代等多肽优化技术，筛选并鉴定出与整合素α6具有纳摩尔亲和力的靶向肽D(RWYD)（简称RD），基于靶向肽开发了一款治疗CNS-ALL的纳米颗粒。该自组装促凋亡纳米多肽D(RWYD)-D(KLAKLAK)2-GD(FFY)（简称RD-KLA-Gffy）含有整合素α6靶向肽RD，以及被广泛认可的促凋亡肽D(KLAKLAK)2（简称KLA）和自组装四肽GD(FFY)（简称Gffy）。我们通过各种实验阐明了RD-KLA-Gffy的作用机理。研究结果表明：RD-KLA-Gffy在CNS-ALL病变中高度富集并诱导肿瘤细胞凋亡，进而减少CNS-ALL疾病负担并延长CNS-ALL模型小鼠的生存期，且无明显毒性。此外，RD-KLA-Gffy与甲氨蝶呤（MTX）联合用药时，表现出显著的抗肿瘤作用，表明RD-KLA-Gffy无论单独用药或与MTX联合用药，都在抑制CNS-ALL进展中发挥重要作用，对CNS-ALL治疗具有潜在应用价值。
非酒精性脂肪性肝炎（NASH）是非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的进展阶段，目前尚无有效的治疗方法。传统中药片仔癀具有抗炎作用。本研究评估了片仔癀在NASH防治中的作用及潜在机制。研究结果显示，片仔癀能有效预防由多种饮食[包括高脂高胆固醇饮食（HFHC）、胆碱缺乏的高脂饮食（CD-HFD）以及蛋氨酸胆碱缺乏饮食（MCD）]引起的NASH进展，同时显著抑制肝损伤、肝脏甘油三酯聚集和脂质过氧化。此外，片仔癀可治疗MCD饮食诱导的NASH，显著改善小鼠的脂肪变和肝损伤。通过对小鼠粪便样本进行宏基因组测序分析，我们发现片仔癀可修复肠道菌群失衡，显著增加包括乳酸杆菌、植物乳杆菌、乳酸链球菌以及枯草杆菌等在内的有益菌的丰度。而乳酸杆菌能有效抑制由MCD饮食诱导的NASH进展。此外, 片仔癀可以恢复脂肪肝病变小鼠的肠道屏障功能，表现为肠道通透性降低，血清内毒素水平下降，以及上皮紧密连接蛋白E-cadherin表达增加。利用液相色谱-质谱联用技术进行代谢分析，发现片仔癀处理过的小鼠门静脉中胆汁酸代谢发生显著变化。进一步分析发现，完整的肠道菌群在片仔癀抗NASH作用中不可或缺。总之，片仔癀通过调节肠道菌群和代谢物发挥抑制NASH的作用，有望成为NASH防治的潜在药物。