“光秤” —— 纳米技术与光学测量的联动

上海交通大学物理系教授朱卡的团队将碳纳米管、量子点和表面等离激元的复合系统等组合起来研究,发明了第一个全光控制的高灵敏纳米光学质谱仪——“光秤”。

朱卡的和团队成员李金金利用表面等离激元和纳米材料的耦合系统,首次提出用全光控制方法测量微观粒子质量。该方法可对生物 DNA 分子的质量、染色体的质量以及中性原子的质量进行无损高精度的光学测量。“光秤”在全光控制的环境中,不涉及任何电学参量,这就避免了电路造成的误差,在极大程度上提高了质量测量的灵敏度。另外,现有的测量方法没有精确到单个原子的测量,而只能用一堆原子作为测量单位进行反复测量,然后再估算原子的质量。通过全光控制,这种“光秤”的灵敏度和精确度比传统的电学质谱仪高出了将近3个数量级。朱卡的表示,这项研究在现有电学质谱仪上作了很大的提升和改进,用全光学的方法代替了传统的电学测量。

“这将为量子测量技术、纳米技术、生物医学技术的发展提供崭新的平台和新颖的思维方式……这一高精度‘光秤’还可用于临床医学。比如,可以检测癌细胞的存在。”朱卡的说。对单个中性原子的测量已告一段落,目前该团队正在进行的是通过“光秤”来对单个质子或中子进行测量的研究。朱卡的团队还希望把“光秤”应用到生物 DNA 分子研究中,提出了一种癌细胞 DNA 分子的检测方法。据介绍,传统的癌变 DNA 分子的质量应与正常的 DNA 分子不完全一样。

以上内容改编自《中国科学报》 (2013-04-11 第1版 要闻)。相关长篇综述性论文日前在《物理报道》(Physics Reports)刊发。可惜没找到链接,不知道其光学控制的具体情况。谁有的话请提供一下吧。

碳纳米管看成是一根振动的弦。因为质量越大振动频率就越低,当原子附着到碳纳米管上,总质量增加,振动频率就会变化。也许上海交大的研究人员就是通过光学方法来测量这种振动频率的变化吧(纯猜测)。

早在 2008 年的时候,欧洲的研究人员宣称就利用碳纳米管通过电学方法探测到单个原子的质量。他们是 CARDEQ 项目(Carbon Nanotube Devices at the Quantum Limit)合作伙伴。

报道,2009年夏天,CARDEQ 研究人员宣称已经制作出可以测量原子质量的器件。虽然他们明白振动的原理,但是因为不容易测量这种微小振动频率的变化。于是将碳纳米管制成半导体,通过测量粒子附着到碳纳米管上的时候引起的电流变化来计算粒子质量。他们计划进一步改进测量方法以测量核子(质子、中子,比原子小一级的构成原子的粒子),并希望将此技术应用于生物分子实时测量。

光学测量本来就是一种可以提供极高精度的测量方式。将光学测量方法与纳米技术结合起来,又是交叉学科的一次大胜利。©

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