發明
2013年4月19日,上海交大物理系朱卡的教授團隊發明了光秤,其有望通過對生物DNA分子的質量、染色體的質量等高精度光學測量,來檢測人體內的癌細胞。
儘管光秤還處於理論研究階段,但已被美國物理學會認為“有望帶領納米科學進入一個嶄新的測量領域”,國際權威物理期刊《物理報導》刊登了這一研究成果。
物理理論
思維方式
光秤以量子光學和納米材料為研究基礎,在國際上首次提出了納米光學質譜儀,也就是光秤,對生物DNA分子的質量、染色體的質量以及中性原子的質量進行無損高精度的光學測量。這將為量子測量技術、納米技術、生物醫學技術的發展提供嶄新的平台和新穎的思維方式。
原理
科學家利用表面等離激元和納米材料的耦合系統首次提出了用全光控制的方法測量微觀粒子的質量。預測能精確地測出單個原子的質量。用光學的方法來測出一個原子的質量:把待測原子放在一個碳納米管表面,然後用兩束強弱不同的光同時照在碳納米管上,此時探測弱光的吸收譜,就可以精確得到碳納米管的振動頻率。他們先後兩次測量碳納米管的振動頻率,得到放入原子前後碳納米管的振動頻率的變化量,通過計算就能得到落入碳納米管表面的單個原子的質量。
優勢比較
測量原子和質子等微觀粒子質量的方法或儀器包括經典質譜儀和電學納米質譜儀。與這兩種傳統的方法相比,光枰的靈敏度和精確度都大幅提高。
經典質譜儀
經典的質譜儀測量微觀粒子包括三個基本過程,分析物電離,分析物分離和探測。其不足之處是,被探測的粒子要使其強行帶電,才能夠被測量。很多固有屬性不能帶電的粒子的測量受到限制,比如DNA分子,如果強行使其帶電,其生物成分就可能遭到破壞。這就意味著,由於很多固有屬性不能帶電的粒子,其質量的測量將受到限制,比如DNA分子,如果強行使其帶電,就可能造成其生物成分遭到破壞。
電學納米質譜儀
採用電學方法進行測量,則需要在納米碳管兩端加上一個電壓,電流會產生額外的電學熱效應和能量損失,進而造成納米碳管壽命變短、振動頻率降低。這不僅影響到質量測量的靈敏度,而且也限制了納米碳管振動的頻率,從而影響了測量結果的精確度。光枰
光枰在全光控制的環境中,不涉及任何電學參量,這就避免了電路造成的誤差,在極大程度上提高了質量測量的靈敏度。另外,現有的測量方法,沒有精確到單個原子的測量,而只能用一堆原子作為測量單位進行反覆測量,然後再進行估算原子的質量。如果用光枰來測量的話,已經實現了單個原子質量的精確測量。這在很大程度上提高了精確度。
通過全光控制的光秤,其靈敏度和精確度比傳統的電學質譜儀高出將近三個數量級。這項研究工作在現有電學質譜儀上做了很大的提升和改進,用全光學的方法代替了傳統的電學測量,它放大了人們對微觀世界的認識,並帶領納米科學進入一個嶄新的測量領域。
套用研究
朱卡的教授團隊對單箇中性原子的測量研究已告一段落,正在(2013年4月)通過光秤對單個質子或中子進行測量的研究。他們希望把光秤套用到生物DNA分子的研究中,提出了一種癌細胞DNA分子的檢測方法。傳統的癌變DNA分子的質量應與正常的DNA分子不完全一樣。利用高精度光枰,可以檢測到癌細胞的存在。因此,其可以用於臨床醫學。
科學價值評價
對這一研究成果,美國物理學會評價:“這項研究工作有望帶領納米科學進入一個嶄新的測量領域”。
國際公認的物理學界頂尖綜述期刊《PhysicsReports》也刊登了朱卡的教授團隊該成果的長篇綜述性論文。自1971年創刊以來,該期刊一共只發表了以中國大陸科研機構為唯一單位的綜述性論文9篇,其中2000年以來共4篇,這也是上海交通大學首次以唯一單位在該期刊上發表論文。