我们研制出的“光学微腔”，也许能让癌症筛检成为日常

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我们研制出的“光学微腔”，也许能让癌症筛检成为日常9 y, U5 G3 j2 }  E
来源：果壳 / 作者： / 2016-08-130 }; B/ z9 [% v3 I
在最近的《自然•通讯》期刊上，我们，一个由加拿大维多利亚大学的卢涛教授和美国罗彻斯特大学的林强教授以及他们的博士学生于文彦和姜伟组成的团队报道了一种能够在液态环境里探测单个生物分子的光学传感器。
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卢涛教授（右二）研究团队合影。图片来源：作者供图
- G, O  P7 g& l  i4 C受到天坛回音壁效应的启发，我们将只有一根头发丝的直径大小的玻璃小球的光学和机械性能有机的结合起来，利用“光子弹簧效应”，研制出了超高灵敏度的单分子生物传感器。这个小东西有什么用呢？它可能彻底改变癌症筛查的现状，让癌症筛检成为你日常生活的一部分。
. C+ m! A7 K. ~4 A在不知不觉中，高大上的生物检测逐渐进入千家万户的日常生活。如今，有一些常规的检查如验孕棒和血糖仪等已经不再依赖复杂的实验仪器和专业知识，而成为普通大众也能进行的日常操作了。你不必再去医院排队做检查，既免去排队等候之苦节约了时间，又节省了你我荷包里的银子，同时还能够更好地保护自己的隐私。
- S& n/ S- R5 c# Q但是目前而言，绝大部分的检查还是需要去医院完成。如果你非常注意自己的身体健康状况，又有足够的时间和金钱，每年的一次的身体健康检查是一个很好的选择。但是这样就真的足够了吗？5 x9 _( f' X+ z$ \0 G8 _8 H
癌症作为一个目前还未能被完全攻克的致命疾病，也是目前体检的主要筛查项目之一。虽然当前的医疗技术手段还不能找到一种可以彻底根除癌症的方法，但是查出癌变细胞的时机越早，患者存活的可能性就越大。一年的时间差异很可能就决定了一个人的生死。( m, M) G! N/ y! D- u) z" s' j+ c
一些怕麻烦的人，可能两三年才体检一次或者干脆不做体验。可是癌症早期是没有明显不适症状的，等感觉出身体异样的时候再去医院检查往往为时已晚。那么，如果我们能开发出像测血糖那样每天简单地测癌细胞的技术不就好了吗？我们利用“光子弹簧效应”研制出了一种单分子生物传感器，也许能解决这个问题。  p$ M. `, d6 a% K" E6 ^( y/ e
我们研制出的这个直径只有100微米左右的玻璃球，称为光学回音壁微腔。5 P, }+ R( S0 \5 R
我们的光学微腔是个啥？
2 m& I! Q  T* h# N/ [; f; {如同声波能沿着天坛的回音壁传播很远的距离那样，光子也会在微腔的表面沿着赤道方向传播。有趣的是，当光波沿着玻璃球跑一圈的光学等效距离（光程），恰好是光子波长的整数倍时，光在微腔内会产生共振现象。这时，哪怕只用十毫瓦的激光器将光输入微腔，腔内也能产生强度高达五百万亿瓦每平方米的光场——或者说，每一秒钟内有多达五十万亿亿的光子通过微腔的横截面。
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光子（Photon）是一种基本粒子，是电磁辐射的量子。在量子场论里是负责传递电磁力的力载子。上图为光子从激光的相干光束中射出。图片来源：wikimedia+ l/ D* o, a4 M" |- L
光在微腔中传播另一个有趣的现象是由光压引起的。
: g; G& x+ z: S8 `& {5 P" Y0 y大家知道，一辆高速行驶的小车撞上墙后会产生巨大的冲击力（温馨提示，安全开车，请勿撞墙，否则这可能是你最后一次感受到力了）。这个力是由于车子的动量改变产生的。当太阳光照到我们的窗户上时，玻璃的反射和吸收也会改变光子的动量而产生力。这个力通常用单位面积的密度表示，称为光压。
) e+ i/ r) [6 r/ F: n在日常生活中，光压实在太小了，只有几微帕斯卡（μPa），根本不可能让你家的玻璃窗出现哪怕些微的形变。然而在微腔中，情况会大为不同。由于光子沿着玻璃球的赤道做着圆周运动，它的动量方向时刻变化着。所以，它会对小球产生持续的向外推的力。  w. Y0 Y' ~- n. a3 e
当然，单个光子产生的光压微乎其微，但是，当光在微腔内共振传播时，所有五十万亿亿个光子产生的光压可以达到六万牛顿每平方米。4 U0 [$ U7 {1 t& S% h! l
这是什么概念？据说李小龙踢腿的力量达到200磅（890牛顿），假设他的脚面积为100平方厘米，那么踢到人身上的压强也只有大约八万九千牛顿每平方米。光在小球里产生的力简直可以和李小龙的神腿相比。/ Y9 Z' y/ o. n/ e
事实上，这个力可以轻松的把玻璃小球推得向外膨胀。同时，沿着小球赤道传播的光走的路径也因为小球的膨胀变得越来越长，不再能满足共振的条件了。所以光压会随着小球的膨胀渐渐减小，直到推不动小球为止。这时，小球强大的弹性力开始把膨胀的小球压缩回去，直到光压由于光程减小而大到足以恢复膨胀为止。就这样，小球就如同弹簧一般周期性的膨胀收缩，所以我们称之为“光子弹簧”。
% M' M9 D7 ^% X+ M+ n* ^3 @说到弹簧，大家一定记得著名的胡克定理，即如果把一个质量为m的物体挂在一个弹簧常数为k的弹簧上，那么弹簧的振动角频率为
9 o3 `1 ^7 V. F$ w, x正如我国第一位女宇航员刘洋在太空授课中提到过的那样，即使在几乎没有重力的外太空，通过测量弹簧的振动频率，我们也可以知道挂在上面的物体的质量。同样的，一个粘在玻璃小球上的蛋白质分子也能增加小球的质量，从而引起光子弹簧振动频率的变化。5 ?4 [4 S+ @4 Y7 h+ k
  
: q; h. @' N3 y7 T% Y" ^& W; f3 F粘在玻璃小球上的蛋白质分子会增加微光腔小球的质量，从而引起微光腔振动频率的变化。图片来源：研究论文
4 i! V6 M. s; K5 }一波三折的实验+ p% v: b+ y; [! N/ a- V
从理论上讲，通过观察光子弹簧频率的改变，我们也可以探测到单个蛋白质分子。只是相对于100微米直径的小球而言，长度只有十几纳米的分子的质量实在太小了，以致它只能让光子弹簧的频率减小0.01赫兹。这样小的变化会完全被淹没在背景噪声里了而无法被探测到。虽然早在2014年我们就已经成功的在液态环境下第一次观测到光子弹簧效应并公开发表于光学快报，但当时我们并不认为它会是个敏感的探测器。原因如前所述，相对于单个分子来说，玻璃微腔的质量实在太大了。% V8 S& z  _9 K/ [6 ~1 @! O+ B
然而，我们初步的实验结果却让人大跌眼镜。当把含有直径约100纳米的玻璃颗粒的悬浮液注到微腔周围时，我们竟然观察到数以千赫兹的振动频率变化。这和我们估算的由质量引起的变化要大好几个数量级。团队仔细检查了实验步骤也没能发现任何瑕疵。经过一番抓耳挠腮后，我们团队的卢教授决定枪毙这项工作，因为在当时看来，实验结果太太太不靠谱了。幸好，罗切斯特大学林强教授的团队并未放弃。经过长达半年的摸索，林强教授和姜伟博士终于意识到共振的频率变化是由于弹簧常数的改变引起。
6 _" b1 i7 F9 C: z( l1 {当然，没有实验是一蹴而就的。为了取得最好的结果，实验基本上都在夜深人静的时候进行。所以，对于维多利亚团队的于文彦而言，凌晨四五点做完实验回家几乎成了他日常生活的一部分。为了让实验更有效率，同时尽量避免人为失误，卢教授亲自动手用labview撰写软件自动控制实验中用到的几乎每一个仪器，然后写了shell的脚本将原始数据从仪器中自动取出，分门别类的存入不同的文档中。最后用matlab和脚本混和编写了数据处理软件来自动处理数据，找出振动频率的跳变点并自动生成实验报告。3 o0 \4 v* ~0 M1 |4 u) O7 A0 _
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于文彦需要在深夜时分做实验，因为这时干扰更小。图片来源：作者供图。* k" b) j$ }7 L' d) m8 q
虽然这一切都高度自动化，但仍然需要大量的时间和精力去完成。最后在耗时将近一年，积累和处理了20TB左右的数据后，靓丽的结果呈现在我们面前，实验的可重复性也非常高。4 q+ C4 G# Y, `- e$ q4 _* G6 I
微光腔能做什么？0 X% P: C, Z( v
现在可以说，我们的研究团队已经发现，如果单分子粘到小球表面的话，能让光子多走一点点路程，从而使小球的共振波长改变大约一百阿米（100 阿米 =10-16 米，1阿米是激光干涉引力波天文台所能侦测到最小的变量）。这一点点的变化可以改变光子弹簧的弹簧常数，进而使弹簧频率改变数百赫兹之多。如此大的频率变化足以被科学家们轻松的捕捉到。事实上，我们经过估算发现，利用光子弹簧的这一独特性质再整合其他现有技术，我们将能探测到比蛋白质分子小得多的分子，甚至探测单个原子也能实现。
& ~- J! G3 Z' d未来，这个小小的器件可以用来探测血液或尿液样本中的癌细胞生物标记物。因为它的精度能够测到单分子信号，所以理论上来说即使样本中仅有一个生物标记物也能够被探测器捕捉到。这就意味着，当最初的几个细胞发生癌变时，只要及时检查就能够发现，为进一步的检查治疗争取到了大量宝贵的时间。这项技术发展成熟后，其操作难度与血糖仪相当，加上器件成本很低，可以彻底改变癌症筛查的现状。不必再等每年一次的医院体检，自己在家就能检测。: T6 E$ Q% _0 R% Y1 I
最后需要强调的是，这项技术是完全基于微光腔和“光子弹簧”的物理特性，不涉及任何化学反应。若在器件表面进行化学处理，实现功能化，即只针对某种特定的生物标记物，那就可以用来筛查各种不同的疾病而不局限在癌症。那时，它的应用可能更加广阔。% c0 `  T# Q/ @+ X6 B& {" h

+ I) [3 p) T' U0 V% f& q参考文献( \4 p& U8 O  ?% G1 _) j/ P
1.Wenyan Yu,  Wei C Jiang,  Qiang Lin, Tao Lu Cavity optomechanical spring sensing of single molecules, NATURE COMMUNICATIONS
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