利用光学微谐振器进行单粒子光声振动光谱分析

上图，不同尺度代表性物体的自然频率。左下图，使用光学微谐振器的单粒子振动光谱分析图。中下图，半径为 2.8 微米的聚苯乙烯球的振动光谱。右下：三种微生物细胞的固有频率统计。来源：《Nature Photonics》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41566-023-01264-3

毕达哥拉斯首先发现，琴弦的振动在特定频率下会大幅增强。这一发现构成了我们音调系统的基础。这种自然振动普遍存在于物体中，无论其大小尺度如何，并被广泛用于推导其种类、成分和形态。例如，太赫兹频率的分子振动已成为识别化学物质和分析大型生物分子结构的常用指纹。

最近，人们对介观尺度粒子的自然振动越来越感兴趣，因为这类粒子包括各种功能粒子以及大多数生物细胞和病毒。然而，这些介观粒子的自然振动在现有技术中仍然是隐秘的。

这些尺寸从 100 纳米到 100 微米不等的粒子预计会以兆赫兹到千兆赫兹的频率微弱振动。然而，由于强烈的瑞利翼散射，目前的拉曼光谱和布里渊光谱无法解析这一频率范围，而在宏观系统中广泛应用的压电技术在频率超过几百万赫兹时性能会明显下降。

在发表于《自然-光子学》（Nature Photonics）的一篇题为 "利用光学微谐振器的单粒子光声振动光谱学 "的新论文中，北京大学肖云峰教授领导的研究小组展示了利用光学微谐振器实时测量单个介观粒子的自然振动，将振动光谱学的研究范围扩展到了一个新的光谱窗口。

唐水镜博士将基于微谐振器的振动光谱学的工作原理概括如下："介观粒子的振动频率在兆赫到千兆赫之间，其振动振幅通常过于微小，无法用传统技术检测到。为了解决这个问题，我们提出了一种新的振动光谱技术。它包括使用短激光脉冲加热粒子并诱导其振动。

"北京大学副研究员水静说："将粒子直接置于高Q值光学微谐振器上，粒子的振动会在微谐振器内产生声波，最终扰动其光学模式。

在振动光谱实验中，研究人员将介观粒子沉积在半径约为 30 微米、品质因数约为 106 的二氧化硅微球形谐振器上。然后，他们使用脉冲激光（波长为 532 nm，持续时间为 200 ps）照射粒子并激发其振动，入射能量密度约为 2 pJ μm-2。

将连续波探针激光耦合到微谐振器上以激发其光学模式，并通过监测透射激光的功率来实时检测粒子的振动。通过对时间响应进行傅里叶变换，获得了粒子的振动光谱。

利用不同成分、大小和内部结构的介观粒子成功验证了振动光谱法。结果显示，信噪比达到了之前没有的 50 dB，探测带宽超过 1 GHz。

利用这项创新技术，研究小组进一步在单细胞水平上展示了微生物物种和生命状态的生物力学指纹。他们发现，由于某些生物物种的形态高度确定和稳定，同一物种的微生物细胞的自然频率是成串的，形成了独特的指纹。

"这种振动光谱学能够以非破坏性的方式对颗粒的结构和机械特性进行检测。具体来说，细胞的重要生物力学特性可以从振动光谱中推断出来，这些特性与细胞的种类和生命状态有关，"北京大学博雅讲座教授肖云峰博士说。

"他补充说："这项技术可以对广泛的介观粒子进行振动光谱分析，这将以优秀的精度彻底推进我们对介观世界的理解。

活细胞是复杂的生物系统，其机械特性在细胞功能、发育和疾病中发挥着重要作用。这项工作为在单细胞水平上研究生物系统提供了一种新的指纹识别技术，将为各个科学领域带来新的见解和发现。

参考资料

Shui-Jing Tang et al, Single-particle photoacoustic vibrational spectroscopy using optical microresonators, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01264-3

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。