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

　　受到天壇回音壁效應的啟發(fā)，我們將只有一根頭發(fā)絲的直徑大小的玻璃小球的光學(xué)和機械性能有機的結合起來(lái)，利用“光子彈簧效應”，研制出了超高靈敏度的單分子生物傳感器。這個(gè)小東西有什么用呢？它可能徹底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(jué)中，高大上的生物檢測逐漸進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)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(jīng)不再依賴(lài)復雜的實(shí)驗儀器和專(zhuān)業(yè)知識，而成為普通大眾也能進(jìn)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(shí)間，又節省了你我荷包里的銀子，同時(shí)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(shí)間和金錢(qián)，每年的一次的身體健康檢查是一個(gè)很好的選擇。但是這樣就真的足夠了嗎？

　　癌癥作為一個(gè)目前還未能被完全攻克的致命疾病，也是目前體檢的主要篩查項目之一。雖然當前的醫療技術(shù)手段還不能找到一種可以徹底根除癌癥的方法，但是查出癌變細胞的時(shí)機越早，患者存活的可能性就越大。一年的時(shí)間差異很可能就決定了一個(gè)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?？墒前┌Y早期是沒(méi)有明顯不適癥狀的，等感覺(jué)出身體異樣的時(shí)候再去醫院檢查往往為時(shí)已晚。那么，如果我們能開(kāi)發(fā)出像測血糖那樣每天簡(jiǎn)單地測癌細胞的技術(shù)不就好了嗎？我們利用“光子彈簧效應”研制出了一種單分子生物傳感器，也許能解決這個(gè)問(wèn)題。

　　我們研制出的這個(gè)直徑只有100微米左右的玻璃球，稱(chēng)為光學(xué)回音壁微腔。

　　我們的光學(xué)微腔是個(gè)啥？

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

　　光在微腔中傳播另一個(gè)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(chē)撞上墻后會(huì )產(chǎn)生巨大的沖擊力（溫馨提示，安全開(kāi)車(chē)，請勿撞墻，否則這可能是你最后一次感受到力了）。這個(gè)力是由于車(chē)子的動(dòng)量改變產(chǎn)生的。當太陽(yáng)光照到我們的窗戶(hù)上時(shí)，玻璃的反射和吸收也會(huì )改變光子的動(dòng)量而產(chǎn)生力。這個(gè)力通常用單位面積的密度表示，稱(chēng)為光壓。

　　在日常生活中，光壓實(shí)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(huì )大為不同。由于光子沿著(zhù)玻璃球的赤道做著(zhù)圓周運動(dòng)，它的動(dòng)量方向時(shí)刻變化著(zhù)。所以，它會(huì )對小球產(chǎn)生持續的向外推的力。

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

　　這是什么概念？據說(shuō)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(wàn)九千牛頓每平方米。光在小球里產(chǎn)生的力簡(jiǎn)直可以和李小龍的神腿相比。

　　事實(shí)上，這個(gè)力可以輕松的把玻璃小球推得向外膨脹。同時(shí)，沿著(zhù)小球赤道傳播的光走的路徑也因為小球的膨脹變得越來(lái)越長(cháng)，不再能滿(mǎn)足共振的條件了。所以光壓會(huì )隨著(zhù)小球的膨脹漸漸減小，直到推不動(dòng)小球為止。這時(shí)，小球強大的彈性力開(kāi)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(chēng)之為“光子彈簧”。

　　正如我國第一位女宇航員劉洋在太空授課中提到過(guò)的那樣，即使在幾乎沒(méi)有重力的外太空，通過(guò)測量彈簧的振動(dòng)頻率，我們也可以知道掛在上面的物體的質(zhì)量。同樣的，一個(gè)粘在玻璃小球上的蛋白質(zhì)分子也能增加小球的質(zhì)量，從而引起光子彈簧振動(dòng)頻率的變化。

　　一波三折的實(shí)驗

　　從理論上講，通過(guò)觀(guān)察光子彈簧頻率的改變，我們也可以探測到單個(gè)蛋白質(zhì)分子。只是相對于100微米直徑的小球而言，長(cháng)度只有十幾納米的分子的質(zhì)量實(shí)在太小了，以致它只能讓光子彈簧的頻率減小0.01赫茲。這樣小的變化會(huì )完全被淹沒(méi)在背景噪聲里了而無(wú)法被探測到。雖然早在2014年我們就已經(jīng)成功的在液態(tài)環(huán)境下第一次觀(guān)測到光子彈簧效應并公開(kāi)發(fā)表于光學(xué)快報，但當時(shí)我們并不認為它會(huì )是個(gè)敏感的探測器。原因如前所述，相對于單個(gè)分子來(lái)說(shuō)，玻璃微腔的質(zhì)量實(shí)在太大了。

　　然而，我們初步的實(shí)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?chē)鷷r(shí)，我們竟然觀(guān)察到數以千赫茲的振動(dòng)頻率變化。這和我們估算的由質(zhì)量引起的變化要大好幾個(gè)數量級。團隊仔細檢查了實(shí)驗步驟也沒(méi)能發(fā)現任何瑕疵。經(jīng)過(guò)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(shí)看來(lái)，實(shí)驗結果太太太不靠譜了。幸好，羅切斯特大學(xué)林強教授的團隊并未放棄。經(jīng)過(guò)長(cháng)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(méi)有實(shí)驗是一蹴而就的。為了取得最好的結果，實(shí)驗基本上都在夜深人靜的時(shí)候進(jìn)行。所以，對于維多利亞團隊的于文彥而言，凌晨四五點(diǎn)做完實(shí)驗回家幾乎成了他日常生活的一部分。為了讓實(shí)驗更有效率，同時(shí)盡量避免人為失誤，盧教授親自動(dòng)手用labview撰寫(xiě)軟件自動(dòng)控制實(shí)驗中用到的幾乎每一個(gè)儀器，然后寫(xiě)了shell的腳本將原始數據從儀器中自動(dòng)取出，分門(mén)別類(lèi)的存入不同的文檔中。最后用matlab和腳本混和編寫(xiě)了數據處理軟件來(lái)自動(dòng)處理數據，找出振動(dòng)頻率的跳變點(diǎn)并自動(dòng)生成實(shí)驗報告。

　　雖然這一切都高度自動(dòng)化，但仍然需要大量的時(shí)間和精力去完成。最后在耗時(shí)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(shí)驗的可重復性也非常高。

　　微光腔能做什么？

　　現在可以說(shuō)，我們的研究團隊已經(jīng)發(fā)現，如果單分子粘到小球表面的話(huà)，能讓光子多走一點(diǎn)點(diǎn)路程，從而使小球的共振波長(cháng)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最小的變量）。這一點(diǎn)點(diǎn)的變化可以改變光子彈簧的彈簧常數，進(jìn)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(xué)家們輕松的捕捉到。事實(shí)上，我們經(jīng)過(guò)估算發(fā)現，利用光子彈簧的這一獨特性質(zhì)再整合其他現有技術(shù)，我們將能探測到比蛋白質(zhì)分子小得多的分子，甚至探測單個(gè)原子也能實(shí)現。

　　未來(lái)，這個(gè)小小的器件可以用來(lái)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(lái)說(shuō)即使樣本中僅有一個(gè)生物標記物也能夠被探測器捕捉到。這就意味著(zhù)，當最初的幾個(gè)細胞發(fā)生癌變時(shí)，只要及時(shí)檢查就能夠發(fā)現，為進(jìn)一步的檢查治療爭取到了大量寶貴的時(shí)間。這項技術(shù)發(fā)展成熟后，其操作難度與血糖儀相當，加上器件成本很低，可以徹底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。

　　最后需要強調的是，這項技術(shù)是完全基于微光腔和“光子彈簧”的物理特性，不涉及任何化學(xué)反應。若在器件表面進(jìn)行化學(xué)處理，實(shí)現功能化，即只針對某種特定的生物標記物，那就可以用來(lái)篩查各種不同的疾病而不局限在癌癥。那時(shí)，它的應用可能更加廣闊。