基于光学微腔的单颗粒光声振动谱仪

毕达哥拉斯首先发现毕达哥拉斯首先发现，弦的振动在某些频率下会显著增强。这一发现构成了我们音调系统的基础。这种自然振动无处不在，存在于各种大小的物体中，并被广泛用于推导其种类、成分和形态。例如，太赫兹频率下的分子振动已成为识别化学物质和大型生物分子结构分析最常见的指纹。

近年来，介观尺度下粒子的自然振动引起了越来越多的关注，因为这一类别包括了广泛的功能粒子，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仍然被现有的技术所隐藏。

这些尺寸在100纳米到100微米之间的粒子预计会在兆赫兹到吉赫兹频率下微弱振动。然而，由于强烈的瑞利翼散射，目前的拉曼和布里渊光谱无法解析这个频率区间，而被广泛应用于宏观系统的压电技术的性能在几兆赫兹以上的频率下显著退化。

在一篇发表在《自然·光子学》上的题为“基于光学微腔的单颗粒光声振动谱仪”的新论文中，由北京大学肖云峰教授领导的研究小组展示了使用光学微谐振器实时测量单个介观粒子的自然振动，将振动光谱的范围扩展到一个新的光谱窗口。

唐水晶博士总结了基于微谐振器的振动光谱学的工作原理：“介观粒子通常以MHz到GHz的频率振动，它们的振幅通常太微小，无法通过传统技术检测。为了解决这个问题，一种新的振动光谱学被提出。它涉及使用短激光脉冲加热粒子并诱导其振动。”

北京大学研究副教授唐水晶说：“通过直接将粒子放置在高Q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，研究人员将介观颗粒沉积在半径约为30 μm、质量因数约为106的二氧化硅微球谐振器上，然后使用脉冲激光(波长为532 nm，持续时间为200 ps)照射颗粒并激发其振动，入射能量密度约为2 pJ μm^-2。

通过连续波探针激光器耦合微谐振腔激发其光模式，通过监测透射激光功率实时检测颗粒振动，利用时间响应的傅里叶变换得到颗粒振动谱。

通过使用不同成分、大小和内部结构的介观粒子，成功地验证了振动光谱。结果显示，信号噪声比达到了前所未有的50 dB，检测带宽超过1 GHz。

利用这一创新技术，研究团队进一步在单细胞水平上展示了微生物物种和生存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束的，形成独特的指纹。

北京大学博雅教授肖云峰博士说：“这种振动光谱学能够以非破坏性的方式询问粒子的结构和机械性能。具体来说，细胞的重要生物力学特性，与它们的物种和生存状态有关，可以从振动光谱中推断出来。”

他补充道：“这项技术允许对广泛的介观粒子进行振动光谱分析，这可能会以空前的精度革命性地推进我们对介观世界的理解。”

活细胞是复杂的生物系统，其力学特性在细胞功能、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技术，将导致各个科学领域的新见解和发现。

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