近日，北京大学肖云峰教授团队借助光学微腔精密测量技术，首次提出了颗粒物振动谱测量的微腔新方案，借此将振动指纹谱技术拓展到介观细胞尺度。
相关实验明确揭示微生物活细胞具有独特的振动指纹谱，且此方法为声学领域兆赫兹至千兆赫兹高频振动探测所面临的长期挑战提供了新的解决方案。该方案将振动指纹谱技术成功拓展至介观细胞尺度，有望为生物医学以及纳米科学的研究与应用提供新范式。
实现单颗粒固有振动的高灵敏实时检测
众所周知，弦的振动在特定频率上会显著增强，这种振动属性构成了我们音调系统的基础。事实上，不同尺度和形状的物体都有固有的本征振动谱，可以应用于推断物体的种类、成分和形态等。举例来说，毫赫兹频率的星体振动通常用于研究恒星内部结构属性，千赫兹频率的晶体振荡器则构成了商用电子设备中的时间基准，而太赫兹频率的分子振动则被广泛用于化学生物分子的种类识别和结构分析。
如果将振动谱学应用于介观尺度，例如各种功能性颗粒以及生物细胞和病毒等，不仅可以非破坏性地获取颗粒物的尺寸、形状、内部结构和杨氏模量等关键信息，还有望推断与生物细胞类型和生理状态密切相关的生物力学特性。然而，现有技术在介观尺度颗粒物振动谱的测量方面仍面临重要挑战。
通常，这些介观颗粒尺寸范围在100纳米到100微米之间，会在兆赫-千兆赫频率范围内发生微弱地振动。当前，拉曼和布里渊光谱技术很难探测到该频率范围内微弱的颗粒振动信号；尽管压电技术广泛应用于宏观系统的低频固有振动测量，但在几兆赫兹以上的高频区域，它的性能显著降低。
针对上述挑战，课题组创造性地提出了介观尺度颗粒振动测量的微腔方案，将振动谱测量范围推进到兆赫-千兆赫频率窗口。该方案利用光声效应激发介观尺度颗粒物的固有振动，其以声波形式与高品质因子微腔光学模式耦合，从而实现了单颗粒固有振动的超高灵敏实时检测。
具体原理如下：当颗粒吸收超短脉冲激光后，热膨胀效应导致颗粒内部产生瞬时声压，宽带地激发出颗粒固有声学振动模式；这些振动会产生声波，并在微腔腔体中传播，进一步与微腔光学模式发生耦合；当探测光耦合进入微腔时，输出光场会受到周期性调制，携带了颗粒物声学振动模式的信息。
或为生物医学和纳米科学提供新范式
在物理机制上，课题组发现通过脉冲光吸收导致的光声效应，能够以宽带且高效的方式激发颗粒的固有振动；此外，利用高品质的光学微腔可以充分提高光与振动声波的耦合，从而实现颗粒固有振动谱的精密测量。
在方法学上，通过表征不同尺寸、不同材料和不同内部结构的标准微纳颗粒，课题组证明了颗粒物振动谱测量的微腔方案，能将振动谱学拓展到新的频谱窗口，实现了超高灵敏、超大带宽的声学振动传感，借此达到了前所未有的 50dB 的信噪比以及高达 1GHz 的检测带宽。
在应用演示上，其实验揭示了微生物活细胞具有独特的声学振动指纹谱，证明了几十年来学界对生物细胞振动模态可以有效发生的猜想。研究中，该团队将光学微腔精密测量与光声激发介观单颗粒相结合，实现了分析介观颗粒的振动谱的目标。
在生物力学、纳米科学和精准医学等方面，预计振动谱测量的微腔方案具有不错的应用潜力。具体应用场景和产业化前景主要体现在以下几方面：
其一，用于制备超高灵敏、超大带宽声学传感器：声波精密测量是医学影像、工业探伤、水下导航测距等应用的基础性技术。目前，声学传感主要依赖于压电元件，存在灵敏度与器件尺寸互相制约、探测带宽小、三维箱式器件结构等问题，难以支撑高时空分辨、微型化、高密度阵列系统集成等传感成像应用需求。此次所研究的光学微腔传感器，在原理上能够利用微腔声光相互作用，突破传统压电式声学传感器的物理瓶颈，实现超高灵敏、超大带宽声波检测。
其二，提供关于介观尺度单颗粒声学振动谱测量方法：作为介观尺度单颗粒振动谱测量技术，它能为各种细胞或功能性颗粒提供精密结构指纹谱识别技术。
除能提供细胞类别信息，还涵盖了颗粒尺寸、形状、内部缺陷等精密构型以及粘弹性等力学信息。类比于当前全球商业市场广泛应用的测量分子尺度振动的拉曼、红外等光谱技术，介观尺度单颗粒振动谱仪将在生物力学、纳米科技等领域产生广阔前景。
形成“对称破缺微腔光学”的研究新方向
该论文第一作者是北京大学物理学院唐水晶副研究员。合作者还包括北京大学2019级本科生张明杰、2018级博士生孙伽略、2019级博士生孟家伟、熊霄副研究员、杨起帆研究员和悉尼科技大学金大勇教授。
自从 2009 年回国加入北大之后，肖云峰一直专注于利用微纳光学方法开展纳米尺度单颗粒传感研究。经过多年的研究，此前他和团队利用光学微腔成功实现了纳米尺度单颗粒检测，并且灵敏度已被推至单病毒水平以及单分子水平。但是，先前的方案只能得到非常有限的颗粒信息，一般只能用于判断颗粒的有无、或被测量颗粒的浓度，无法得到纳米尺度颗粒的种类成分和形态结构等内禀信息。
前几年，他们一直在调研不同的物理机制与探测方案，尝试进行纳米尺度单颗粒成分、结构等内禀信息检测。例如，2015 年他们就尝试利用高品质光学微腔的场增强效应[1]，通过检测颗粒的拉曼散射信号，来对纳米尺度单颗粒的分子进行成分分析。然而，由于纳米颗粒尺寸过于微小，在实验上一直无法检测到纳米颗粒的拉曼散射信号。
2021 年，组里的博士生唐水晶和孙伽略在实验上偶然观察到当荧光微球受到脉冲光照射时，其耦合光纤锥的探测光输出功率在时域上会出现周期性且呈现出逐渐衰减的强度抖动现象，并且其振动频率刚好与微球腔的本征固有振动频率吻合。“于是我们很快想到，是否可以利用这个现象测量纳米颗粒的固有振动，从而进行颗粒的种类成分以及形状结构的内禀信息读取？”肖云峰说。
为了弄清楚上述现象的底层物理原理，唐水晶和该团队的本科生张明杰一起从理论着手，结合仿真计算厘清了颗粒在受到脉冲光照射时，由于热膨胀效应会产生瞬时声压，从而激发出颗粒的多个固有振动模式。此外，他们从理论和实验上都证明当把颗粒直接放置在微腔上，颗粒被脉冲光激发之后会产生声波，从而传输到光学模式所在之处，进而被高品质的光学模式超灵敏探测到。
为证明颗粒振动谱测量微腔方案的有效性与可靠性，他们测量了不同尺寸、不同材料和不同结构的微纳颗粒，结果都能实现高信噪比、以及高带宽的实时振动谱测量。在基本完成介观颗粒振动谱仪的原理研究之后，他们开始探索相关的应用能力。其关注到作为一种极具代表性的介观尺度颗粒，生物细胞的固有振动谱在近百年来广受关注，但是始终无法在实验上对其进行测量。该团队利用本次新技术测量了几种不同种类的微生物活细胞，实验结果揭示这些微生物细胞存在独特且清晰的振动指纹谱。而且，随着细胞生理状态的变化，细胞指纹振动谱也会发生一定改变。
这一系列成果建立了表/界面光学研究和应用的新型物理平台，在多物理场耦合之下，揭晓了非线性光学的新原理与新现象。凭借这些成果的国际引领性，促使全球学界形成了“对称破缺微腔光学”的研究新方向。
文章来源： DeepTech深科技，现代物理知识，万象经验