在zui近的《自然·通訊》期刊上，我們，一個由加拿大維多利亞大學的盧濤教授和美國羅徹斯特大學的林強教授以及他們的博士學生于文彥和姜偉組成的團隊報道了一種能夠在液態環境里探測單個生物分子的光學傳感器。

盧濤教授（右二）研究團隊合影。圖片來源：作者供圖

受到天壇回音壁效應的啟發，我們將只有一根頭發絲的直徑大小的玻璃小球的光學和機械性能有機的結合起來，利用“光彈簧效應”，研制出了超高靈敏度的單分子生物傳感器。這個小東西有什么用呢？它可能*改變癌癥篩查的現狀，讓癌癥篩檢成為你日常生活的一部分。

在不知不覺中，高大上的生物檢測逐漸進入千家萬戶的日常生活。如今，有一些常規的檢查如驗孕棒和血糖儀等已經不再依賴復雜的實驗儀器和專業知識，而成為普通大眾也能進行的日常操作了。你不必再去醫院排隊做檢查，既免去排隊等候之苦節約了時間，又節省了你我荷包里的銀子，同時還能夠更好地保護自己的隱私。

但是目前而言，絕大部分的檢查還是需要去醫院完成。如果你非常注意自己的身體健康狀況，又有足夠的時間和金錢，每年的一次的身體健康檢查是一個很好的選擇。但是這樣就真的足夠了嗎？

癌癥作為一個目前還未能被*攻克的致命疾病，也是目前體檢的主要篩查項目之一。雖然當前的醫療技術手段還不能找到一種可以**癌癥的方法，但是查出癌變細胞的時機越早，患者存活的可能性就越大。一年的時間差異很可能就決定了一個人的生死。

一些怕麻煩的人，可能兩三年才體檢一次或者干脆不做體驗。可是癌癥早期是沒有明顯不適癥狀的，等感覺出身體異樣的時候再去醫院檢查往往為時已晚。那么，如果我們能開發出像測血糖那樣每天簡單地測癌細胞的技術不就好了嗎？我們利用“光彈簧效應”研制出了一種單分子生物傳感器，也許能解決這個問題。

我們研制出的這個直徑只有100微米左右的玻璃球，稱為光學回音壁微腔。

我們的光學微腔是個啥？

如同聲波能沿著天壇的回音壁傳播很遠的距離那樣，光子也會在微腔的表面沿著赤道方向傳播。有趣的是，當光波沿著玻璃球跑一圈的光學等效距離（光程），恰好是光子波長的整數倍時，光在微腔內會產生共振現象。這時，哪怕只用十毫瓦的激光器將光輸入微腔，腔內也能產生強度高達五百萬億瓦每平方米的光場——或者說，每一秒鐘內有多達五十萬億億的光子通過微腔的橫截面。

光子（Photon）是一種基本粒子，是電磁輻射的量子。在量子場論里是負責傳遞電磁力的力載子。上圖為光子從激光的相干光束中射出。圖片來源：wikimedia

光在微腔中傳播另一個有趣的現象是由光壓引起的。

大家知道，一輛高速行駛的小車撞上墻后會產生巨大的沖擊力（溫馨提示，安全開車，請勿撞墻，否則這可能是你zui后一次感受到力了）。這個力是由于車子的動量改變產生的。當太陽光照到我們的窗戶上時，玻璃的反射和吸收也會改變光子的動量而產生力。這個力通常用單位面積的密度表示，稱為光壓。

在日常生活中，光壓實在太小了，只有幾微帕斯卡（µPa），根本不可能讓你家的玻璃窗出現哪怕些微的形變。然而在微腔中，情況會大為不同。由于光子沿著玻璃球的赤道做著圓周運動，它的動量方向時刻變化著。所以，它會對小球產生持續的向外推的力。

當然，單個光子產生的光壓微乎其微，但是，當光在微腔內共振傳播時，所有五十萬億億個光子產生的光壓可以達到六萬牛頓每平方米。

這是什么概念？據說李小龍踢腿的力量達到200磅（890牛頓），假設他的腳面積為100平方厘米，那么踢到人身上的壓強也只有大約八萬九千牛頓每平方米。光在小球里產生的力簡直可以和李小龍的神腿相比。

事實上，這個力可以輕松的把玻璃小球推得向外膨脹。同時，沿著小球赤道傳播的光走的路徑也因為小球的膨脹變得越來越長，不再能滿足共振的條件了。所以光壓會隨著小球的膨脹漸漸減小，直到推不動小球為止。這時，小球強大的彈性力開始把膨脹的小球壓縮回去，直到光壓由于光程減小而大到足以恢復膨脹為止。就這樣，小球就如同彈簧一般周期性的膨脹收縮，所以我們稱之為“光彈簧”。

說到彈簧，大家一定記得的胡克定理，即如果把一個質量為m的物體掛在一個彈簧常數為k的彈簧上，那么彈簧的振動角頻率為

正如我國*位女宇航員劉洋在太空授課中提到過的那樣，即使在幾乎沒有重力的外太空，通過測量彈簧的振動頻率，我們也可以知道掛在上面的物體的質量。同樣的，一個粘在玻璃小球上的蛋白質分子也能增加小球的質量，從而引起光彈簧振動頻率的變化。

粘在玻璃小球上的蛋白質分子會增加微光腔小球的質量，從而引起微光腔振動頻率的變化。圖片來源：研究論文

一波三折的實驗

從理論上講，通過觀察光彈簧頻率的改變，我們也可以探測到單個蛋白質分子。只是相對于100微米直徑的小球而言，長度只有十幾納米的分子的質量實在太小了，以致它只能讓光彈簧的頻率減小0.01赫茲。這樣小的變化會*被淹沒在背景噪聲里了而無法被探測到。雖然早在2014年我們就已經成功的在液態環境下*次觀測到光彈簧效應并公開發表于光學快報，但當時我們并不認為它會是個敏感的探測器。原因如前所述，相對于單個分子來說，玻璃微腔的質量實在太大了。

然而，我們初步的實驗結果卻讓人大跌眼鏡。當把含有直徑約100納米的玻璃顆粒的懸浮液注到微腔周圍時，我們竟然觀察到數以千赫茲的振動頻率變化。這和我們估算的由質量引起的變化要大好幾個數量級。團隊仔細檢查了實驗步驟也沒能發現任何瑕疵。經過一番抓耳撓腮后，我們團隊的盧教授決定槍斃這項工作，因為在當時看來，實驗結果太太太不靠譜了。幸好，羅切斯特大學林強教授的團隊并未放棄。經過長達半年的摸索，林強教授和姜偉博士終于意識到共振的頻率變化是由于彈簧常數的改變引起。

當然，沒有實驗是一蹴而就的。為了取得的結果，實驗基本上都在夜深人靜的時候進行。所以，對于維多利亞團隊的于文彥而言，凌晨四五點做完實驗回家幾乎成了他日常生活的一部分。為了讓實驗更有效率，同時盡量避免人為失誤，盧教授親自動手用labview撰寫軟件自動控制實驗中用到的幾乎每一個儀器，然后寫了shell的腳本將原始數據從儀器中自動取出，分門別類的存入不同的文檔中。zui后用matlab和腳本混和編寫了數據處理軟件來自動處理數據，找出振動頻率的跳變點并自動生成實驗報告。

于文彥需要在深夜時分做實驗，因為這時干擾更小。圖片來源：作者供圖。

雖然這一切都高度自動化，但仍然需要大量的時間和精力去完成。zui后在耗時將近一年，積累和處理了20TB左右的數據后，靚麗的結果呈現在我們面前，實驗的可重復性也非常高。

微光腔能做什么？

現在可以說，我們的研究團隊已經發現，如果單分子粘到小球表面的話，能讓光子多走一點點路程，從而使小球的共振波長改變大約一百阿米（100 阿米 =10-16 米，1阿米是激光干涉引力波天文臺所能偵測到zui小的變量）。這一點點的變化可以改變光彈簧的彈簧常數，進而使彈簧頻率改變數百赫茲之多。如此大的頻率變化足以被科學家們輕松的捕捉到。事實上，我們經過估算發現，利用光彈簧的這一*性質再整合其他現有技術，我們將能探測到比蛋白質分子小得多的分子，甚至探測單個原子也能實現。

未來，這個小小的器件可以用來探測血液或尿液樣本中的癌細胞生物標記物。因為它的精度能夠測到單分子信號，所以理論上來說即使樣本中僅有一個生物標記物也能夠被探測器捕捉到。這就意味著，當zui初的幾個細胞發生癌變時，只要及時檢查就能夠發現，為進一步的檢查治療爭取到了大量寶貴的時間。這項技術發展成熟后，其操作難度與血糖儀相當，加上器件成本很低，可以*改變癌癥篩查的現狀。不必再等每年一次的醫院體檢，自己在家就能檢測。

zui后需要強調的是，這項技術是*基于微光腔和“光彈簧”的物理特性，不涉及任何化學反應。若在器件表面進行化學處理，實現功能化，即只針對某種特定的生物標記物，那就可以用來篩查各種不同的疾病而不局限在癌癥。那時，它的應用可能更加廣闊。

參考文獻

1.Wenyan Yu,  Wei C Jiang,  Qiang Lin, Tao Lu Cavity optomechanical spring sensing of single molecules, NATURE COMMUNICATIONS