Pythagoras entdeckte erstmals, dass die Schwingungen von Saiten bei bestimmten Frequenzen drastisch verstärkt werden. Diese Entdeckung bildet die Grundlage unseres Tonsystems. Solche natürlichen Schwingungen sind in Objekten unabhängig von ihrer Größenskala allgegenwärtig und werden häufig zur Ableitung ihrer Art, Bestandteile und Morphologie genutzt. Beispielsweise sind molekulare Schwingungen mit einer Terahertz-Rate zum häufigsten Fingerabdruck für die Identifizierung von Chemikalien und die Strukturanalyse großer Biomoleküle geworden.
In jüngster Zeit erfreuen sich natürliche Schwingungen von Partikeln im mesoskopischen Maßstab zunehmender Beliebtheit, da diese Kategorie ein breites Spektrum funktioneller Partikel sowie die meisten biologischen Zellen und Viren umfasst. Allerdings blieben die natürlichen Schwingungen dieser mesoskopischen Teilchen den bestehenden Technologien verborgen.
Es wird erwartet, dass diese Partikel mit Größen im Bereich von 100 nm bis 100 μm schwach im Megahertz- bis Gigahertz-Bereich schwingen. Dieser Frequenzbereich konnte jedoch aufgrund der starken Rayleigh-Flügel-Streuung mit aktuellen Raman- und Brillouin-Spektroskopien nicht aufgelöst werden, während die Leistung piezoelektrischer Techniken, die in makroskopischen Systemen weit verbreitet sind, bei Frequenzen über einigen Megahertz deutlich abnimmt.
In einem neuen Artikel veröffentlicht in Naturphotonik Mit dem Titel „Photoakustische Schwingungsspektroskopie einzelner Teilchen unter Verwendung optischer Mikroresonatoren“ hat ein Team unter der Leitung von Professor Xiao Yunfeng an der Universität Peking die Echtzeitmessung natürlicher Schwingungen einzelner mesoskopischer Teilchen mithilfe optischer Mikroresonatoren demonstriert und damit die Reichweite der Schwingungsspektroskopie auf ein neues Niveau erweitert Spektralfenster.
Das Funktionsprinzip der mikroresonatorbasierten Schwingungsspektroskopie lässt sich laut Dr. Tang Shuijing wie folgt zusammenfassen: „Es wird erwartet, dass mesoskopische Teilchen mit Frequenzen von MHz bis GHz schwingen, und ihre Schwingungsamplituden sind normalerweise zu subtil, um mit herkömmlichen Techniken erfasst zu werden.“ Zu diesem Thema wurde eine neue Schwingungsspektroskopie vorgeschlagen. Dabei wird ein kurzer Laserpuls verwendet, um das Teilchen zu erhitzen und seine Schwingungen anzuregen.
„Durch die direkte Platzierung des Partikels auf einem optischen Mikroresonator mit hoher Güte erzeugen die Vibrationen des Partikels akustische Wellen innerhalb des Mikroresonators, was letztendlich seinen optischen Modus stört“, sagt Shuijing, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Peking.
Während der Schwingungsspektroskopie-Experimente lagerten die Forscher mesoskopische Partikel auf einem mikrokugelförmigen Resonator aus Siliziumdioxid mit einem Radius von etwa 30 μm und einem Qualitätsfaktor von etwa 106 ab. Anschließend verwendeten sie einen gepulsten Laser (mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Dauer von 200 ps). ), um Teilchen zu bestrahlen und ihre Schwingungen anzuregen, wobei die einfallende Energiedichte etwa 2 pJ μm−2 beträgt.
Ein Dauerstrich-Sondenlaser wurde an den Mikroresonator gekoppelt, um seinen optischen Modus anzuregen, und die Schwingungen der Partikel wurden in Echtzeit durch Überwachung der Leistung des gesendeten Lasers erfasst. Durch die Fourier-Transformation der zeitlichen Reaktionen wurden die Schwingungsspektren der Teilchen erhalten.
Die Schwingungsspektroskopie wurde erfolgreich unter Verwendung mesoskopischer Partikel mit unterschiedlichen Bestandteilen, Größen und inneren Strukturen verifiziert. Die Ergebnisse zeigten ein beispielloses Signal-Rausch-Verhältnis von 50 dB und eine Erkennungsbandbreite über 1 GHz.
Mit dieser innovativen Technologie demonstrierte das Team außerdem den biomechanischen Fingerabdruck der Art und des Lebenszustands von Mikroorganismen auf Einzelzellebene. Sie fanden heraus, dass die natürlichen Frequenzen mikrobieller Zellen derselben Art gebündelt sind und aufgrund der hochdefinierten und stabilen Morphologie bestimmter biologischer Arten einzigartige Fingerabdrücke bilden.
„Diese Schwingungsspektroskopie ermöglicht die zerstörungsfreie Untersuchung von Strukturen und mechanischen Eigenschaften von Partikeln. Insbesondere können aus den Schwingungsspektren wichtige biomechanische Eigenschaften von Zellen abgeleitet werden, die mit ihrer Art und ihrem Lebenszustand zusammenhängen“, sagte er Dr. Xiao Yunfeng, Boya-Professor an der Peking-Universität.
„Diese Technologie ermöglicht die Schwingungsspektroskopie einer Vielzahl mesoskopischer Teilchen, was unser Verständnis der mesoskopischen Welt mit beispielloser Präzision revolutionieren könnte“, fügte er hinzu.
Lebende Zellen sind komplexe Biosysteme und ihre mechanischen Eigenschaften spielen eine wichtige Rolle für die Funktion, Entwicklung und Krankheit von Zellen. Diese Arbeit stellt eine neue Fingerabdrucktechnologie zur Untersuchung biologischer Systeme auf Einzelzellebene bereit und würde zu neuen Erkenntnissen und Entdeckungen in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen führen.
Mehr Informationen:
Shui-Jing Tang et al, Einzelpartikel-Photoakustik-Schwingungsspektroskopie unter Verwendung optischer Mikroresonatoren, Naturphotonik (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01264-3