畢達(dá)哥拉斯首先發(fā)現(xiàn)畢達(dá)哥拉斯首先發(fā)現(xiàn)，弦的振動(dòng)在某些頻率下會(huì)顯著增強(qiáng)。這一發(fā)現(xiàn)構(gòu)成了我們音調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。這種自然振動(dòng)無(wú)處不在，存在于各種大小的物體中，并被廣泛用于推導(dǎo)其種類(lèi)、成分和形態(tài)。例如，太赫茲頻率下的分子振動(dòng)已成為識(shí)別化學(xué)物質(zhì)和大型生物分子結(jié)構(gòu)分析最常見(jiàn)的指紋。

近年來(lái)，介觀尺度下粒子的自然振動(dòng)引起了越來(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)檫@一類(lèi)別包括了廣泛的功能粒子，以及大多數(shù)生物細(xì)胞和病毒。然而，這些介觀粒子的自然振動(dòng)仍然被現(xiàn)有的技術(shù)所隱藏。

這些尺寸在100納米到100微米之間的粒子預(yù)計(jì)會(huì)在兆赫茲到吉赫茲頻率下微弱振動(dòng)。然而，由于強(qiáng)烈的瑞利翼散射，目前的拉曼和布里淵光譜無(wú)法解析這個(gè)頻率區(qū)間，而被廣泛應(yīng)用于宏觀系統(tǒng)的壓電技術(shù)的性能在幾兆赫茲以上的頻率下顯著退化。

在一篇發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上的題為“基于光學(xué)微腔的單顆粒光聲振動(dòng)譜儀”的新論文中，由北京大學(xué)肖云峰教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組展示了使用光學(xué)微諧振器實(shí)時(shí)測(cè)量單個(gè)介觀粒子的自然振動(dòng)，將振動(dòng)光譜的范圍擴(kuò)展到一個(gè)新的光譜窗口。

唐水晶博士總結(jié)了基于微諧振器的振動(dòng)光譜學(xué)的工作原理：“介觀粒子通常以MHz到GHz的頻率振動(dòng)，它們的振幅通常太微小，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)檢測(cè)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種新的振動(dòng)光譜學(xué)被提出。它涉及使用短激光脈沖加熱粒子并誘導(dǎo)其振動(dòng)�！�

北京大學(xué)研究副教授唐水晶說(shuō)：“通過(guò)直接將粒子放置在高Q光學(xué)微諧振器上，粒子的振動(dòng)會(huì)在微諧振器內(nèi)產(chǎn)生聲波，最終擾動(dòng)其光學(xué)模式。”

在振動(dòng)光譜實(shí)驗(yàn)中，研究人員將介觀顆粒沉積在半徑約為30 μm、質(zhì)量因數(shù)約為106的二氧化硅微球諧振器上，然后使用脈沖激光(波長(zhǎng)為532 nm，持續(xù)時(shí)間為200 ps)照射顆粒并激發(fā)其振動(dòng)，入射能量密度約為2 pJ μm^-2。

通過(guò)連續(xù)波探針激光器耦合微諧振腔激發(fā)其光模式，通過(guò)監(jiān)測(cè)透射激光功率實(shí)時(shí)檢測(cè)顆粒振動(dòng)，利用時(shí)間響應(yīng)的傅里葉變換得到顆粒振動(dòng)譜。

通過(guò)使用不同成分、大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的介觀粒子，成功地驗(yàn)證了振動(dòng)光譜。結(jié)果顯示，信號(hào)噪聲比達(dá)到了前所未有的50 dB，檢測(cè)帶寬超過(guò)1 GHz。

利用這一創(chuàng)新技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在單細(xì)胞水平上展示了微生物物種和生存狀態(tài)的生物力學(xué)指紋。他們發(fā)現(xiàn)，由于某些生物物種的形態(tài)高度確定和穩(wěn)定，同一物種的微生物細(xì)胞的自然頻率是成束的，形成獨(dú)特的指紋。

北京大學(xué)博雅教授肖云峰博士說(shuō)：“這種振動(dòng)光譜學(xué)能夠以非破壞性的方式詢(xún)問(wèn)粒子的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。具體來(lái)說(shuō)，細(xì)胞的重要生物力學(xué)特性，與它們的物種和生存狀態(tài)有關(guān)，可以從振動(dòng)光譜中推斷出來(lái)。”

他補(bǔ)充道：“這項(xiàng)技術(shù)允許對(duì)廣泛的介觀粒子進(jìn)行振動(dòng)光譜分析，這可能會(huì)以空前的精度革命性地推進(jìn)我們對(duì)介觀世界的理解�！�

活細(xì)胞是復(fù)雜的生物系統(tǒng)，其力學(xué)特性在細(xì)胞功能、發(fā)育和疾病中發(fā)揮著重要作用。這項(xiàng)工作為在單細(xì)胞水平上研究生物系統(tǒng)提供了一種新的指紋技術(shù)，將導(dǎo)致各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的新見(jiàn)解和發(fā)現(xiàn)。

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