基于光学微腔的单颗粒光声振动谱仪 | 应用物理前沿推介系列No.44
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本期推介
基于光学微腔的单颗粒光声振动谱仪
早在公元前6世纪，毕达哥拉斯就发现，以相同的方式扰动不同长度、粗细的弦会产生不同的声音，并且当以某些特定的频率扰动时，弦的振动会显著增强。事实上，不仅仅是琴弦，大到天体、小到分子的任何物体都有这一特性，这一特性通常用其固有的本征振动谱来表示，见图1[1]。不同尺度和形状的物体有着不同的本征振动谱，这意味着我们可据其推断出物体的大小、形状、种类和各种物理化学性质等，并根据这些特征作出高效的实际应用。例如，通过观测毫赫兹频率的自然振荡来研究恒星的演化以及内部物理特性[2]，利用千赫兹频率的晶振为各种电子产品标定基准时间[3]，检测太赫兹频率的分子自然振动以揭示大量的溶液结构和生物化学分子动力学信息[4]。
图 1. 不同尺寸尺度物体的固有振动频率[1]。
介观尺度粒子的自然振动处于兆赫兹到千兆赫兹频率范围内，同样有着显著的研究价值。它为研究者们提供了一种表征功能粒子结构和机械性能，研究生物力学特性并揭示生物结构和生理状态的新途径。例如，基于250 μm亚铁磁球体的声子-磁子耦合可以搭建一种新型信息传递平台[5]；基于兆赫兹频率声-结构相互作用可以捕获亚微米颗粒[6]；根据单粒子谱可以分析纳米材料光学功能特性并构造光学均匀材料[7]；根据分子振动谱选用合适的超短脉冲激光以破坏蛋白质结构，灭活病原体[8]；利用拉曼光谱表征蛋白质的振动模式，为理解其结构并实现调控提供了可能性[9]。
然而，利用现有技术无损获取介观尺度颗粒物振动谱还面临诸多挑战。传统的拉曼光谱分辨率有限，考虑滤除激励光源的弹性散射后的最低可探测频率被限制在10 cm-1（~300 GHz），这意味着只有小于10 nm的颗粒可使用拉曼光谱技术来表征。2015年，研究者采用声学拉曼光谱技术（EAR）检测单纳米颗粒，实现了在0.1~10 cm-1（3~300 GHz）范围内0.05 cm-1（~1.5 GHz）的分辨率[10]，并表征了球蛋白、二氧化钛纳米球和聚苯乙烯纳米球（图2a,b,c），但可检测的颗粒物尺寸仍然局限在百纳米范围内，并且检测谱不能覆盖千兆赫兹以下的频率。传统的布里渊散射光谱无法定位旋转的横向尺寸小于几微米的样品，并且对低维材料的光散射截面锐减严重[11]。此外，布里渊散射光谱最低可检测频率严重受限于激发光线宽（图2d），布里渊散射（BLS）、拉曼散射（Raman）、低波数拉曼散射（LWNR）都不能覆盖到百兆赫兹以下的频率，这严重制约着对介观尺度颗粒物振动谱的全面准确获取。总之，通过光学非弹性散射和光学吸收来识别介观尺度颗粒物的低频振动模式是极具挑战性的[12]。压电换能技术虽然广泛应用于检测宏观系统的低频振动，但却又局限于几兆赫兹频率以下，且对介观尺度的颗粒并不灵敏。
图 2. 利用已有技术检测介观尺度颗粒物振动谱的典型工作。(a-c) 利用拉曼散射分别检测碳酸酐酶、二氧化钛纳米球和聚苯乙烯纳米球的振动谱[10]。(d) Raman，LWNR和BLS技术可探测的声子频率范围[11]。(e) 半径为5 μm (i)和2.5 μm (ii)的两个带有表皮葡萄球菌细胞的光力微盘谐振腔的扫描电镜[13]。(f) (i)和(ii)分别是细菌吸附对e(i)和e(ii)中光力微盘RBM的影响[13]。
2020年，Eduardo Gil-Santos等研究者使用超高频率的光力微盘谐振腔实现了介观尺度的单个细菌的低频振动谱检测[13]。微盘谐振腔的光学回音壁模式和机械径向呼吸模式（RBMs）之间存在着很强的光力耦合，因此可以检测极其微弱的自然振动。机械径向呼吸模式频率可通过参数化设计微盘的半径和厚度等来改变，这为检测百兆赫兹频率的振动提供了可行性。此外，浸入在空气或液体中的RBMs有着非常微弱的机械能耗散，这使得研究条件可以更接近生物体原本处于的自然环境。研究者据此研究了表皮葡萄球菌的振动谱（图2e,f），但是这个方案的应用范围十分有限，因为它要求待测生物颗粒的自然振动频率接近微盘的本征模频率，而且得到的振动谱带宽也很窄（~50 MHz）。
针对上述遇到的各种挑战，北京大学的肖云峰教授研究团队提出利用回音壁模式微球腔实现对单个介观尺度颗粒物振动谱的检测，其信噪比超过50 dB，探测带宽超过1 GHz [1]。该方案利用光声效应激发介观尺度颗粒物的固有振动，其激发的声学模式与高品质因子（Q值）微球腔的光学模式进行耦合，实现了对微弱振动的高信噪比实时检测，从而可以访问不同真菌、细菌等微生物或颗粒物的许多机械模式，这也证明了具有不同尺寸、形貌和机械性能的颗粒物支持不同的机械共振模式（图3a）[14]。其具体原理为：沉积在回音壁模式微谐振腔上的粒子吸收到一个短脉冲激光；其由于热弹性膨胀，颗粒内部会产生瞬态声压并激发各种声学模式；这些声学模式以声波的形式传播并与光学回音壁模式耦合，通过微光纤耦合到微腔中的连续探测激光因此受到调制；最终振动谱由透射激光的功率谱密度（PSD）实时读出（图3b）。
图 3. 基于光学微腔的单颗粒光声振动谱仪方案[1], [14]。(a) (i): 吸附4种不同微生物的光学微腔示意图。(ii): 光学微腔的机械振动谱，表征与每个生物实体（微生物）相关的特殊共振。(b) 实验装置：沉积在微谐振器上的粒子被脉冲激光照射以激发其固有振动。使用连续波探测激光器，通过设置与共振稍微失谐的波长来激发光学回音壁模式，并通过光电探测器记录光传输。内嵌(i)：振动粒子在光学微谐振腔上的放大视图。(ii)：自然振动的光声激发及其与光学模式(从上到下)的声学耦合。PSD，功率谱密度；VOA，可变光衰减器；FPC，光纤偏振控制器；PD，光电探测器。(c) 统计单个黑曲霉(A.niger)(N = 13)、聚多曲霉(A.sydowii)(N = 10)和蓝藻(N = 4)的(1, 2)模态的固有频率。内嵌：微生物在微谐振器上沉积的SEM图像。标尺2 μm。(d) 在600 W微波辐照下，单个聚多曲霉的(1, 2)模态的固有频率随时间的变化情况。(e) 混合颗粒的振动谱。黑曲霉、聚多曲霉和1.4 μm聚苯乙烯球的振动模式分别用红色、绿色和黄色表示。
该团队利用此方案实验检测了不同半径的微米级聚苯乙烯球和不同半径不同厚度的百纳米级聚多巴胺球的振动谱，得到了这些介观尺度颗粒物多种固有模式的本征频率，并分析得到了不同颗粒的杨氏模量和粘滞度。此外，该团队进一步研究了微生物细胞的声学指纹谱，显示活体黑曲霉、聚多曲霉、蓝藻有着不同的频率的自然振动峰（图3c），表现出它们在形态结构等方面的差异，进一步揭示出物种生存繁衍上的差异。微波辐射下微生物的一种自然振动模式本征频率会由于细胞脱水而缓慢增加（图3d），并且长时间暴露辐射引起的蛋白质变性会使本征频率迅速增大约一倍。而通过混合颗粒的振动谱，不同种类颗粒的本征峰可以被清晰区分出来（图3e），基于此可以鉴定介观尺度颗粒种类。
这项方案解决了以往研究者们遇到的许多难题，实现了不同种类颗粒物的多种机械振动模式的检测，拓宽了检测带宽，并提高了信噪比。但该技术仍存在一些挑战。第一，该工作中方案验证是在空气中完成的，这种环境有可能会影响到生物大分子的活性状态而给检测结果带来误差。然而，这项技术可以与微流控系统兼容，从而为待测物提供一个事宜的实际环境。第二，激发颗粒物的振动需要确定粒子的位置，否则会降低光声激发效率，显著增加检测时间。光学显微镜虽然可以帮助确定尺寸较大的细胞等的位置，却不能观察到尺寸较小的病毒[14]。第三，许多病毒的自然振动频率超过了千兆赫兹的范围，虽然可以通过设计更小的微球腔来检测，但其制备工艺与测量技术仍存在一些挑战。
尽管如此，该项技术涵盖了大部分介观粒子的振动谱范围，分析振动谱及各种振动模式的本征频率使人类能以更高的精度分析测量介观尺度粒子结构特征和理化性质，这进一步可以深入研究纳米力学，设计和构建各种介观功能结构。特别是在细胞生物领域，该技术所能提供的高分辨、大宽带振动谱可以帮助人类充分认识各种微生物、生物大分子的构型，进一步分析生物力学和揭示各种生理过程。此外，准确且全面的振动谱也为癌症的治疗带来了更多希望，可以根据振动谱选择合适的癌细胞本征频率以避开正常细胞的本征频率，在保护健康细胞的前提下以共振激发的方式最大程度杀死癌细胞。总而言之，该项技术为我们打开了一扇了解介观世界的窗。
推介人
吴祖磊，华中科技大学，本科生，目前已保送至中国科学院物理研究所攻读博士学位，主要研究方向为基于光学微腔的超声波传感。
杨昊，中国科学院物理研究所，博士研究生，主要研究方向为基于光学微腔的超声波传感。
曹雪凝，中国科学院物理研究所，博士研究生，主要研究方向为基于光学微腔的超声波传感。
李贝贝，中国科学院物理研究所，特聘研究员，主要研究领域为回音壁模式光学微腔，包括光学微腔传感，微腔磁力仪，超声波传感，微腔光频梳，微腔布里渊激光等。
参考资料
1. S.-J. Tang, M. Zhang, J. Sun, J.-W. Meng, X. Xiong, Q. Gong, D. Jin, Q.-F. Yang, and Y.-F. Xiao, “Single-particle photoacoustic vibrational spectroscopy using optical microresonators,” Nat. Photon. 17, 951 (2023).
2. W. J. Chaplin and A. Miglio, “Asteroseismology of Solar-Type and Red-Giant Stars,” Annual Review of Astronomy and Astrophysics 51, 353 (2013).
3. E. Vittoz, Low-Power Crystal and MEMS Oscillators: The Experience of Watch Developments (Springer, 2010).
4. M. Diem, Modern Vibrational Spectroscopy and Micro-Spectroscopy: Theory, Instrumentation, and Biomedical Applications (Wiley, 2015).
5. X. Zhang, C.-L. Zou, L. Jiang, and H. X. Tang, “Cavity magnomechanics,” Sci. Adv. 2, e1501286 (2016).
6. M. Tayebi, R. O’Rorke, H. C. Wong, H. Y. Low, J. Han, D. J. Collins, and Y. Ai, “Massively Multiplexed Submicron Particle Patterning in Acoustically Driven Oscillating Nanocavities,” Small 16, 2000462 (2020).
7. J. Zhou, A. I. Chizhik, S. Chu, and D. Jin, “Single-particle spectroscopy for functional nanomaterials,” Nature 579, 41 (2020).
8. S.-W. D. Tsen, T. Wu, J. G. Kiang, and K.-T. Tsen, “Prospects for a novel ultrashort pulsed laser technology for pathogen inactivation,” J. Biomed. Sci. 19, 62 (2012).
9. E. Babaei, G. Hajisalem, S. Iwamoto, B. Kaynak, P. Doruker, M. M. Naqvi, J. Kumita, F.-Y. Wang, J.-H. Cheng, C.-M. Wu, S.-H. Yang, I. Bahar, L. Itzhaki, and R. Gordon, “Extraordinary Acoustic Raman Spectroscopy of PR65,” in 2021 IEEE 16th Nanotechnology Materials and Devices Conference (NMDC) (IEEE, 2021), pp. 1–4.
10. S. Wheaton, R. M. Gelfand, and R. Gordon, “Probing the Raman-active acoustic vibrations of nanoparticles with extraordinary spectral resolution,” Nat. Photon. 9, 68 (2015).
11. F. Kargar and A. A. Balandin, “Advances in Brillouin Mandelstam light-scattering spectroscopy,” Nat. Photon. 15, 720 (2021).
12. S. L.Dexheimer, Terahertz Spectroscopy: Principles and Applications (CRC, 2007).
13. E. Gil-Santos, J. J. Ruz, O. Malvar, I. Favero, A. Lemaître, Priscila. M. Kosaka, S. García-López, M. Calleja, and J. Tamayo, “Optomechanical detection of vibration modes of a single bacterium,” Nat. Nanotechnol. 15, 469(2020).
14. E. Gil-Santos, “Listening to microorganisms with light,” Nat. Photon. 17, 931 (2023).
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
设计：陈 龙
排版：陈 龙
美编：张 悦
主编：吴义政
副主编：杨海涛
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