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近日，科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院（NIST）的联合研究机构（JILA）的科学家也实现了类似成份辨别的壮举，只是他们研发的新型传感器对气体成份的辨别能力要强得多。
该团队开发了一种新型激光装置，能够检测任何气体样本并识别其中的大量分子种类。其灵敏度足以检测到低至万亿分之一浓度的分子。此外，该装置的设计足够简单，研究人员可以在多种环境中快速且低成本地使用该方法，从诊断人类患者的疾病到追踪工厂的温室气体排放。
JILA的研究团队已于2025年2月19日将这种新型传感器的详细信息发表在《Nature》期刊上中。
“即使在今天，我仍然觉得难以置信，最强大的传感工具竟然可以用如此简单的方式构建，仅使用成熟的技术组件，但通过利用的巧妙算法赋予它们更强大的功能，”该研究的主要作者、JILA博士生梁启忠说。
为了展示该工具的能力，Liang和他的同事们深入探讨了医学中的一个重要问题：你呼出的空气中有什么？
研究人员分析了真实人类受试者的呼吸样本，并展示了他们可以识别人们口腔中细菌的种类。该技术有朝一日或许可以帮助医生诊断肺癌、糖尿病、慢性阻塞性肺病（COPD）等更多疾病。
该研究的资深作者、物理学家Jun Ye 表示，这项新研究是在科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院近三十年的量子物理研究基础上进行的，尤其是围绕一种被称为频率梳激光器的专用设备展开的研究。
“频率梳激光器最初是为光学原子钟发明的，但很早以前，我们就发现了它在分子传感方面的强大应用潜力，”JILA 和 NIST 的研究员、科罗拉多大学博尔德分校物理学副教授叶军说。“尽管如此，我们还是花了 20 年时间才使这项技术成熟起来，最终使分子传感具有普遍适用性。”
要理解该团队的技术是如何运作的并不难，事实上所有气体，包括从纯二氧化碳到你吃大蒜后呼出的难闻气体，都带有各种特殊的“指纹信息”。
如果使用跨越多个“光学频率”或颜色的激光器探测这些气体，则气体样品中的分子将以不同的频率吸收这些光。这几乎就像一个窃贼在犯罪现场留下指纹。例如，在之前的一项研究中，Liang和他的同事使用这种激光吸收检测原理来筛选人类呼出的气体样本中是否存在SARS-CoV-2感染的迹象。
频率梳非常适合这种技术，因为与传统激光器不同，它们会同时发射数千到数百万种颜色的光脉冲。（JILA的Jan Hall开创了这些激光器，并因其工作于2005年获得诺贝尔物理学奖）。
但要检测低浓度的分子，这些激光必须穿过数英里或更远距离的气体样本，以便分子能够吸收足够的光。
为了使这种技术具有实用性，科学家们必须在尺寸仅为数英尺的气体容器内实现这样的距离。
“我们用一对高反射率镜子包围气体样品，形成一个'光学腔'，” Liang说。“梳状光现在可以在这些镜子之间反射数千次，从而有效地增加其与分子的吸收路径长度。”
或许这就是目标。在实践中，光学腔很难操作，如果激光与腔体的谐振模式不匹配，激光束就会被弹出。因此，科学家们以前只能在一次性测试中使用窄范围的频率梳光，并且只能检测到窄范围的分子。
在这项新研究中，Liang和他的同事们克服了这一长期存在的挑战。他们提出了一种新技术，并将其命名为调制环形衰减频率梳干涉测量法（Modulated Ringdown Comb Interferometry，简称MRCI，读音为“mercy”）。该团队并没有保持其光学腔的稳定，而是定期改变其大小。反过来，这种晃动使腔体能够接受更宽范围的光谱。然后，该团队利用巧妙的算法成功破解出从腔体中出现的复杂激光强度模型，以确定样品的化学成分。
“我们现在可以使用反射率更高的镜子，并引入光谱覆盖范围更广的频率梳光，”Liang说。“但这仅仅是个开始。使用MRCI我们将可以实现更好的传感性能。
该团队现在正在将其新的气体嗅探器用于人类呼出的气体样本的检测。
“人类呼出的气体样本是最具挑战性的气体样本之一，但确定其分子组成对于其在医学诊断方面的巨大潜力至关重要，”该研究的合著者、叶军实验室的博士生Apoorva Bisht说。
Bisht、Liang和叶军现在正在与科罗拉多大学安舒茨医学园区和科罗拉多儿童医院的研究人员合作，使用MRCI分析一系列呼出气体样本。他们正在研究MRCI是否可以区分出肺炎儿童和哮喘儿童呼出气体样本的不同。同时，该团队还在分析肺癌患者在肿瘤切除手术前后的呼出气体样本的区别，并正在探索该技术是否可以用于慢性阻塞性肺病（COPD）患者的早期诊断。
“在现实世界真实的受试者案例中验证我们的方法将具有极其重要的意义，”叶军说。“通过与科罗拉多大学安舒茨分校的医学同行密切合作，我们致力于充分发挥这项技术在医学诊断方面的全部潜力。”
