量子振動極化激元傳感原理。圖片來源：《科學(xué)進(jìn)展》（2025 年）。DOI：10.1126/sciadv.ady7670

約翰斯霍普金斯大學(xué)的一組工程師開發(fā)出一種更強(qiáng)大的新型分子振動觀測方法，這一進(jìn)展可能對早期疾病檢測產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

該團(tuán)隊(duì)由機(jī)械工程系教授伊尚巴爾曼（Ishan Barman）領(lǐng)導(dǎo)，首次證實(shí)了如何利用光與分子形成特殊的混合態(tài) —— 從而能更清晰、更精準(zhǔn)地探測到哪怕是最微小的振動。

該團(tuán)隊(duì)的研究成果已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊上。

在醫(yī)療健康領(lǐng)域，這種探測分子的新方法有望實(shí)現(xiàn)對血液、唾液或尿液中疾病生物標(biāo)志物的更早、更精準(zhǔn)檢測。此外，它在更廣泛的醫(yī)療應(yīng)用中還可能具有其他潛力：在制藥生產(chǎn)中，可實(shí)時監(jiān)測復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，確保產(chǎn)品的一致性和安全性；在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，能以前所未有的可靠性實(shí)現(xiàn)對污染物或有害化合物的痕量檢測。

分子振動指分子內(nèi)原子微小且獨(dú)特的運(yùn)動，其形成的化學(xué) “指紋” 可揭示從感染、代謝紊亂到癌癥等多種疾病的存在。

科學(xué)家通常采用紅外光譜和拉曼光譜等技術(shù)探測這些振動，但這些方法存在根本性局限：所依賴的信號往往十分微弱，易被背景噪聲掩蓋，且在血液、組織等復(fù)雜生物環(huán)境中難以分離。

“我們一直試圖攻克分子傳感領(lǐng)域的一個長期難題：如何提高分子光學(xué)檢測的靈敏度、穩(wěn)定性，并使其更能適應(yīng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境？” 巴爾曼表示。他同時在約翰斯霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的西德尼金梅爾綜合癌癥中心以及放射學(xué)與放射科學(xué)系任職。

“我們沒有嘗試對傳統(tǒng)方法進(jìn)行漸進(jìn)式改進(jìn)，而是提出了一個更具突破性的問題：如果我們能重新設(shè)計光與物質(zhì)相互作用的方式，從而創(chuàng)造出一種全新的傳感技術(shù)，會怎么樣？”

該團(tuán)隊(duì)使用高反射率金鏡構(gòu)建光學(xué)腔，這種光學(xué)腔能捕獲光線并使其來回 “反射”，大幅增強(qiáng)光線與腔內(nèi)分子的相互作用。被限制的光場與分子振動會緊密交織，形成全新的量子態(tài)，即 “振動極化激元”（vibro-polaritons）。

團(tuán)隊(duì)在常溫常壓的現(xiàn)實(shí)環(huán)境下就實(shí)現(xiàn)了這一成果，無需高真空、低溫或其他極端環(huán)境 —— 而這些極端條件通常是維持脆弱量子態(tài)所必需的。約翰斯霍普金斯大學(xué)機(jī)械工程系副研究科學(xué)家、該研究的第一作者鄭鵬（Peng Zheng）表示，這項(xiàng)研究詳細(xì)闡述了如何將 “量子振動極化激元傳感” 從概念性想法轉(zhuǎn)化為可實(shí)際運(yùn)作的平臺，這有望催生出一類新型量子賦能光學(xué)傳感器。

“如今，我們不再是被動探測分子，而是可以通過利用量子振動極化激元態(tài)，設(shè)計分子周圍的量子環(huán)境，從而選擇性地增強(qiáng)其光學(xué)指紋�！� 鄭鵬說。

該研究以全新方式運(yùn)用量子原理，且無需傳統(tǒng)量子技術(shù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施，為推動新興的常溫量子技術(shù)領(lǐng)域邁出了重要里程碑。最終，巴爾曼展望能研發(fā)出緊湊型微芯片級設(shè)備，將這些量子技術(shù)應(yīng)用于便攜式即時醫(yī)療工具和人工智能驅(qū)動的診斷方法中。

“量子傳感的未來并非局限于實(shí)驗(yàn)室 —— 它已準(zhǔn)備好在醫(yī)學(xué)、生物制造及其他領(lǐng)域產(chǎn)生切實(shí)的現(xiàn)實(shí)影響�！� 巴爾曼表示。

更多信息：鄭鵬（Peng Zheng）等，《量子振動極化激元傳感》，《科學(xué)進(jìn)展》（2025 年）。DOI：10.1126/sciadv.ady7670

期刊信息：《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）

本文由約翰斯霍普金斯大學(xué)提供