或為生物醫學和納米科學提供新範式

在生物力學、納米科學和精準醫學等方面，預計振動譜測量的微腔方案具有不錯的應用潛力。具體應用場景和產業化前景主要體現在以下幾方面：

其一，用於製備超高靈敏、超大帶寬聲學傳感器：聲波精密測量是醫學影像、工業探傷、水下導航測距等應用的基礎性技術。目前，聲學傳感主要依賴於壓電元件，存在靈敏度與器件尺寸互相制約、探測帶寬小、三維箱式器件結構等問題，難以支撐高時空分辨、微型化、高密度陣列系統集成等傳感成像應用需求。此次所研究的光學微腔傳感器，在原理上能夠利用微腔聲光相互作用，突破傳統壓電式聲學傳感器的物理瓶頸，實現超高靈敏、超大帶寬聲波檢測。

其二，提供關於介觀尺度單顆粒聲學振動譜測量方法：作為介觀尺度單顆粒振動譜測量技術，它能為各種細胞或功能性顆粒提供精密結構指紋譜識別技術。

除能提供細胞類別信息，還涵蓋了顆粒尺寸、形狀、內部缺陷等精密構型以及粘彈性等力學信息。類比於當前全球商業市場廣泛應用的測量分子尺度振動的拉曼、紅外等光譜技術，介觀尺度單顆粒振動譜儀將在生物力學、納米科技等領域產生廣闊前景。

（來源：Nature Photonics）

力爭開闢微腔光學新方向

在初中物理教科書上，我們都曾學過關於音色的知識。每個人的聲帶、各種樂器以及樂器的每根弦每個鍵，所發出的聲音都獨具特色。這些多樣的聲音源自於不同物體的固有振動，構成了我們日常生活中絢麗多彩的「音樂之海」。

這種固有振動同樣也在科學研究中得到了廣泛應用。例如，微觀分子振動已被普遍用於化學與生物分子的種類識別，石英晶振已被廣泛用於給手機與手錶等日常商用產品提供時間基準，星體振動在天文學上則被廣泛用於推斷恆星內部結構等。

但是，生物細胞和功能性納微顆粒等介觀尺度物質的固有振動信息，一直以來都排除在現有技術之外，長期沒有得到有效利用。究其原因，主要有以下兩點：

其一，在物理上，熱振動所激發的介觀尺度顆粒的固有振動本身非常微弱，導致很難對其進行觀測。

其二，在方法學上，介觀尺度顆粒的固有振動的聲波頻率非常特殊，一般在兆赫茲至千兆赫茲的範圍內。這個頻率窗口不僅遠高於現有超聲傳感技術的探測範圍，還遠低於現有光譜技術的探測範圍。

自從 2009 年回國加入北大之後，肖雲峰一直專注於利用微納光學方法開展納米尺度單顆粒傳感研究。經過多年的研究，此前他和團隊利用光學微腔成功實現了納米尺度單顆粒檢測，並且靈敏度已被推至單病毒水平以及單分子水平。

但是，先前的方案只能得到非常有限的顆粒信息，一般只能用於判斷顆粒的有無、或被測量顆粒的濃度，無法得到納米尺度顆粒的種類成分和形態結構等內稟信息。

前幾年，他們一直在調研不同的物理機制與探測方案，嘗試進行納米尺度單顆粒成分、結構等內稟信息檢測。

例如，2015 年他們就嘗試利用高品質光學微腔的場增強效應[1]，通過檢測顆粒的拉曼散射信號，來對納米尺度單顆粒的分子進行成分分析。然而，由於納米顆粒尺寸過於微小，在實驗上一直無法檢測到納米顆粒的拉曼散射信號。

2021 年，組裡的博士生唐水晶和孫伽略在實驗上偶然觀察到當螢光微球受到脈衝光照射時，其耦合光纖錐的探測光輸出功率在時域上會出現周期性且呈現出逐漸衰減的強度抖動現象，並且其振動頻率剛好與微球腔的本徵固有振動頻率吻合。

「於是我們很快想到，是否可以利用這個現象測量納米顆粒的固有振動，從而進行顆粒的種類成分以及形狀結構的內稟信息讀取？」肖雲峰說。

為了弄清楚上述現象的底層物理原理，唐水晶和該團隊的本科生張明傑一起從理論著手，結合仿真計算釐清了顆粒在受到脈衝光照射時，由於熱膨脹效應會產生瞬時聲壓，從而激發出顆粒的多個固有振動模式。

此外，他們從理論和實驗上都證明當把顆粒直接放置在微腔上，顆粒被脈衝光激發之後會產生聲波，從而傳輸到光學模式所在之處，進而被高品質的光學模式超靈敏探測到。

為證明顆粒振動譜測量微腔方案的有效性與可靠性，他們測量了不同尺寸、不同材料和不同結構的微納顆粒，結果都能實現高信噪比、以及高帶寬的實時振動譜測量。

在基本完成介觀顆粒振動譜儀的原理研究之後，他們開始探索相關的應用能力。其關注到作為一種極具代表性的介觀尺度顆粒，生物細胞的固有振動譜在近百年來廣受關注，但是始終無法在實驗上對其進行測量。

此前，學界對於生物細胞是否存在可觀測的固有振動模式也一直存在爭議。有人認為生物細胞黏度過大，與環境聲阻的抗匹配性較好，所以無法支持可觀測線寬之下的固有振動模式。

而該團隊利用本次新技術測量了幾種不同種類的微生物活細胞，實驗結果揭示這些微生物細胞存在獨特且清晰的振動指紋譜。而且，隨著細胞生理狀態的變化，細胞指紋振動譜也會發生一定改變。

（來源：Nature Photonics）

由於實驗開展剛好在疫情期間，學生們需要互相隔離，甚至經常需要居家辦公，學校實驗室的開放時間比較緊張。

肖雲峰說：「據我了解，水晶一般是早上 8 點半到實驗室，基本每天都會趕晚上最後一班地鐵回家。有一次我工作到很晚，剛好路過實驗室看到水晶坐在地上，拿著一支筆在筆記本上分析現象，然後繼續回到實驗台開展測試，不知道那天她到底幾點才回到家。」

第二天一大早，唐水晶又主動來找肖雲峰討論實驗現象，她非常激動地彙報前一晚在實驗上觀察到的關鍵現象。

上述現象揭示：對於顆粒的固有振動來說，它通過聲波傳輸到光學模式所在位置，從而得以被檢測到。

這不僅直接證明了微腔測量顆粒振動是聲波介導的物理傳感機制，還有可能在遠離高品質光學模式的前提下，對待測物體進行測量，從而極大增強本次技術的實用性。

另外，大家在開展實驗時也發生了一些趣事。由於他們經常泡在實驗室，把生物細胞培養基在實驗室放置一段時間之後，意外地發現培養基上長出了一些黑色雜菌，在光學顯微鏡下顯示出直徑大概 2 微米左右。

肖雲峰說：「大家很快聯想到這些雜菌其實也是顆粒呀，有沒有可能通過我們發展的新技術測到這些雜菌的固有振動譜？」

後來，唐水晶和孫伽略在實驗室摸索了各種單顆粒轉移技術，最後他們利用光纖錐將微生物活細胞轉移到微腔之上，藉此觀察到在被脈衝光激發之後細胞的振動不僅非常明顯，而且振動譜也非常清晰，其機械模式的品質也能達到較高水平。

接著，為了弄清楚此次所測量的雜菌種類，通過與北大生命科學學院的老師開展討論，他們對雜菌進行了純化培養和基因測序，最後發現這些雜菌名為聚多麴黴（一種真菌），這為最終實現生物細胞機械指紋識別的應用帶來了一定啟發。

最終，相關論文以《利用光學微諧振器的單粒子光聲振動光譜》（Single-particle photoacoustic vibrational spectroscopy using optical microresonators）為題發在 Nature Photonics，北京大學副研究員唐水晶為第一作者，肖雲峰擔任通訊作者[2]。

圖 | 相關論文（來源：Nature Photonics）

後續，他們打算繼續開展光學微腔傳感與精密測量研究與應用，通過引入光學微腔傳感新機制，來發掘多學科交叉傳感、成像與譜學識別的應用，希望能夠檢測更微小的物質、觀看更精細的結構以及讀取更豐富的多維信息。

具體來說，其將繼續挖掘基於光學微腔的聲學振動模式測量新方法，開展超高靈敏、超大帶寬聲波的探測，以及針對納米尺度的顆粒物開展特異性識別的研究，力爭在國際上開闢光學微腔聲學振動譜檢測與物質識別的新方向。

另據悉，肖雲峰曾於 2020 年獲得陳嘉庚青年科學獎和中國青年科技獎，相關成果也在當年入選中國光學十大進展。

其表示：「能獲得這些獎項主要基於以下兩方面的成果：第一個是混沌輔助的光子動量變換，第二個是針對表介面光學的工作。」

在混沌輔助的光子動量變換的研究中，他們提出並證明了混沌輔助光子角動量的快速轉換新原理，突破了傳統微腔光耦合的動量匹配帶寬限制，進一步發現了相空間中混沌光場的輸運規律、以及相關的調控新機理。其還在單個微腔中首次觀察到光場自發對稱破缺現象，並實現了手征可重構的微腔光場。

在表介面光學的研究中，通過利用微腔表面內稟的中心對稱破缺，並利用微腔光學模式的雙共振增強效應，該團隊將表面二次諧波效率提高 14 個數量級。此外，他們還使用有機材料來修飾微腔表面，將三次諧波效率提升 4 個數量級。並利用微腔表面梯度變化的倏逝場，構建了超強的耗散型聲光相互作用。相比色散型聲光相互作用，耗散型聲光相互作用的效率高出 2 個數量級。

這一系列成果建立了表/介面光學研究和應用的新型物理平台，在多物理場耦合之下，揭曉了非線性光學的新原理與新現象。憑藉這些成果的國際引領性，促使全球學界形成了「對稱破缺微腔光學」的研究新方向。

參考資料：

1.Phys. Rev. A 91, 043836 (2015)

2.Tang, SJ., Zhang, M., Sun, J. et al. Single-particle photoacoustic vibrational spectroscopy using optical microresonators. Nat. Photon. (2023).https://doi.org/10.1038/s41566-023-01264-3