约翰斯霍普金斯大学工程师研发新型量子传感器，可探测微弱分子振动

量子振动极化激元传感原理。图片来源：《科学进展》（2025 年）。DOI：10.1126/sciadv.ady7670

约翰斯霍普金斯大学的一组工程师开发出一种更强大的新型分子振动观测方法，这一进展可能对早期疾病检测产生深远影响。

该团队由机械工程系教授伊尚巴尔曼（Ishan Barman）领导，首次证实了如何利用光与分子形成特殊的混合态 —— 从而能更清晰、更精准地探测到哪怕是最微小的振动。

该团队的研究成果已发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。

在医疗健康领域，这种探测分子的新方法有望实现对血液、唾液或尿液中疾病生物标志物的更早、更精准检测。此外，它在更广泛的医疗应用中还可能具有其他潜力：在制药生产中，可实时监测复杂化学反应，确保产品的一致性和安全性；在环境科学领域，能以前所未有的可靠性实现对污染物或有害化合物的痕量检测。

分子振动指分子内原子微小且独特的运动，其形成的化学 “指纹” 可揭示从感染、代谢紊乱到癌症等多种疾病的存在。

科学家通常采用红外光谱和拉曼光谱等技术探测这些振动，但这些方法存在根本性局限：所依赖的信号往往十分微弱，易被背景噪声掩盖，且在血液、组织等复杂生物环境中难以分离。

“我们一直试图攻克分子传感领域的一个长期难题：如何提高分子光学检测的灵敏度、稳定性，并使其更能适应现实环境？” 巴尔曼表示。他同时在约翰斯霍普金斯大学医学院的西德尼金梅尔综合癌症中心以及放射学与放射科学系任职。

“我们没有尝试对传统方法进行渐进式改进，而是提出了一个更具突破性的问题：如果我们能重新设计光与物质相互作用的方式，从而创造出一种全新的传感技术，会怎么样？”

该团队使用高反射率金镜构建光学腔，这种光学腔能捕获光线并使其来回 “反射”，大幅增强光线与腔内分子的相互作用。被限制的光场与分子振动会紧密交织，形成全新的量子态，即 “振动极化激元”（vibro-polaritons）。

团队在常温常压的现实环境下就实现了这一成果，无需高真空、低温或其他极端环境 —— 而这些极端条件通常是维持脆弱量子态所必需的。约翰斯霍普金斯大学机械工程系副研究科学家、该研究的第一作者郑鹏（Peng Zheng）表示，这项研究详细阐述了如何将 “量子振动极化激元传感” 从概念性想法转化为可实际运作的平台，这有望催生出一类新型量子赋能光学传感器。

“如今，我们不再是被动探测分子，而是可以通过利用量子振动极化激元态，设计分子周围的量子环境，从而选择性地增强其光学指纹。” 郑鹏说。

该研究以全新方式运用量子原理，且无需传统量子技术所需的基础设施，为推动新兴的常温量子技术领域迈出了重要里程碑。最终，巴尔曼展望能研发出紧凑型微芯片级设备，将这些量子技术应用于便携式即时医疗工具和人工智能驱动的诊断方法中。

“量子传感的未来并非局限于实验室 —— 它已准备好在医学、生物制造及其他领域产生切实的现实影响。” 巴尔曼表示。

更多信息：郑鹏（Peng Zheng）等，《量子振动极化激元传感》，《科学进展》（2025 年）。DOI：10.1126/sciadv.ady7670

期刊信息：《科学进展》（Science Advances）

本文由约翰斯霍普金斯大学提供

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