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- 約翰斯霍普金斯大學工程師研發(fā)新型量子傳感器，可探測微弱分子振動
- 來源：約翰斯霍普金斯大學 發(fā)表于 2025/8/28
量子振動極化激元傳感原理。圖片來源：《科學進展》（2025 年）。DOI：10.1126/sciadv.ady7670
約翰斯霍普金斯大學的一組工程師開發(fā)出一種更強大的新型分子振動觀測方法，這一進展可能對早期疾病檢測產(chǎn)生深遠影響。
該團隊由機械工程系教授伊尚巴爾曼（Ishan Barman）領導，首次證實了如何利用光與分子形成特殊的混合態(tài) —— 從而能更清晰、更精準地探測到哪怕是最微小的振動。
該團隊的研究成果已發(fā)表在《科學進展》（Science Advances）期刊上。
在醫(yī)療健康領域，這種探測分子的新方法有望實現(xiàn)對血液、唾液或尿液中疾病生物標志物的更早、更精準檢測。此外，它在更廣泛的醫(yī)療應用中還可能具有其他潛力：在制藥生產(chǎn)中，可實時監(jiān)測復雜化學反應，確保產(chǎn)品的一致性和安全性；在環(huán)境科學領域，能以前所未有的可靠性實現(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)原子微小且獨特的運動，其形成的化學 “指紋” 可揭示從感染、代謝紊亂到癌癥等多種疾病的存在。
科學家通常采用紅外光譜和拉曼光譜等技術探測這些振動，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、組織等復雜生物環(huán)境中難以分離。
“我們一直試圖攻克分子傳感領域的一個長期難題：如何提高分子光學檢測的靈敏度、穩(wěn)定性，并使其更能適應現(xiàn)實環(huán)境？” 巴爾曼表示。他同時在約翰斯霍普金斯大學醫(yī)學院的西德尼金梅爾綜合癌癥中心以及放射學與放射科學系任職。
“我們沒有嘗試對傳統(tǒng)方法進行漸進式改進，而是提出了一個更具突破性的問題：如果我們能重新設計光與物質(zhì)相互作用的方式，從而創(chuàng)造出一種全新的傳感技術，會怎么樣？”
該團隊使用高反射率金鏡構建光學腔，這種光學腔能捕獲光線并使其來回 “反射”，大幅增強光線與腔內(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）。
團隊在常溫常壓的現(xiàn)實環(huán)境下就實現(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機械工程系副研究科學家、該研究的第一作者鄭鵬（Peng Zheng）表示，這項研究詳細闡述了如何將 “量子振動極化激元傳感” 從概念性想法轉化為可實際運作的平臺，這有望催生出一類新型量子賦能光學傳感器。
“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)，設計分子周圍的量子環(huán)境，從而選擇性地增強其光學指紋�！� 鄭鵬說。
該研究以全新方式運用量子原理，且無需傳統(tǒng)量子技術所需的基礎設施，為推動新興的常溫量子技術領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備，將這些量子技術應用于便攜式即時醫(yī)療工具和人工智能驅動的診斷方法中。
“量子傳感的未來并非局限于實驗室 —— 它已準備好在醫(yī)學、生物制造及其他領域產(chǎn)生切實的現(xiàn)實影響�！� 巴爾曼表示。
更多信息：鄭鵬（Peng Zheng）等，《量子振動極化激元傳感》，《科學進展》（2025 年）。DOI：10.1126/sciadv.ady7670
期刊信息：《科學進展》（Science Advances）
本文由約翰斯霍普金斯大學提供
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