Вверху, собственные частоты репрезентативных объектов в разных масштабах. 
Внизу слева: взгляд художника на колебательную спектроскопию одиночных частиц с использованием оптических микрорезонаторов. 
Внизу посередине: спектр колебаний полистироловой сферы радиусом 2,8 мкм. 
Внизу справа статистика собственных частот трех типов микробных клеток. 
Предоставлено: Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01264-3

Пифагор впервые обнаружил, что колебания струн резко усиливаются на определенных частотах. Это открытие легло в основу нашей тональной системы. Такие естественные вибрации повсеместно существуют в объектах, независимо от их шкалы размеров, и широко используются для определения их видов, составляющих и морфологии. Например, молекулярные колебания с частотой терагерц стали наиболее распространенными отпечатками пальцев для идентификации химических веществ и структурного анализа больших биомолекул.

В последнее время все больший интерес вызывают собственные колебания частиц в мезоскопическом масштабе, поскольку в эту категорию входит широкий круг функциональных частиц, а также большинство биологических клеток и вирусов. Однако естественные колебания этих мезоскопических частиц остались скрытыми от существующих технологий.

Ожидается, что эти частицы размером от 100 нм до 100 мкм будут слабо вибрировать с частотой от мегагерца до гигагерца. Однако этот частотный режим не может быть разрешен современными спектроскопиями комбинационного рассеяния и Бриллюэна из-за сильного рассеяния на крыле Рэлея, в то время как характеристики пьезоэлектрических методов, которые широко используются в макроскопических системах, значительно ухудшаются на частотах выше нескольких мегагерц.

В новой статье, опубликованной в журнале Nature Photonics под названием «Фотоакустическая колебательная спектроскопия одиночных частиц с использованием оптических микрорезонаторов», группа под руководством профессора Сяо Юньфэна из Пекинского университета продемонстрировала измерение в реальном времени собственных колебаний отдельных мезоскопических частиц с использованием оптических микрорезонаторов. Это выход колебательной спектроскопии на новое спектральное окно.

Принцип работы колебательной спектроскопии на основе микрорезонаторов резюмируется доктором Тан Шуйцзином следующим образом: «Ожидается, что мезоскопические частицы будут вибрировать с частотой от МГц до ГГц, а амплитуды их колебаний обычно слишком малы, чтобы их можно было обнаружить традиционными методами. В связи с этим была предложена новая колебательная спектроскопия, заключающаяся в использовании короткого лазерного импульса для нагрева частицы и возбуждения ее колебаний.

«При непосредственном размещении частицы в высокодобротном оптическом микрорезонаторе колебания частицы генерируют акустические волны внутри микрорезонатора, что в конечном итоге возмущает его оптический режим», — говорит Шуйцзин, доцент-исследователь Пекинского университета.

Во время экспериментов по колебательной спектроскопии исследователи осаждали мезоскопические частицы на микросферическом резонаторе из диоксида кремния с радиусом около 30 мкм и добротностью около 10⁶. Затем они использовали импульсный лазер (с длиной волны 532 нм и длительностью 200 пс) для облучения частиц и стимуляции их колебаний с плотностью падающей энергии примерно 2 пДж мкм^-2.

Непрерывный зондирующий лазер был соединен с микрорезонатором для возбуждения его оптической моды, и колебания частиц регистрировались в режиме реального времени путем контроля мощности излучаемого лазера. С помощью преобразования Фурье временных откликов были получены колебательные спектры частиц.

Колебательная спектроскопия была успешно проверена с использованием мезоскопических частиц с различным составом, размером и внутренней структурой. Результаты показали беспрецедентное отношение сигнал/шум 50 дБ и полосу обнаружения более 1 ГГц.

С помощью этой инновационной технологии команда продемонстрировала биомеханическое снятие отпечатков пальцев видов и жизненных состояний микроорганизмов на уровне одной клетки. Они обнаружили, что собственные частоты микробных клеток одного и того же вида группируются, образуя уникальные отпечатки пальцев из-за четко определенной и стабильной морфологии определенных биологических видов.

«Эта колебательная спектроскопия позволяет исследовать структуры и механические свойства частиц неразрушающим образом. В частности, важные биомеханические свойства клеток, которые связаны с их видами и жизненными состояниями, могут быть выведены из колебательных спектров», — сказал он. Доктор Сяо Юньфэн, профессор Пекинского университета.

«Эта технология позволяет проводить колебательную спектроскопию широкого спектра мезоскопических частиц, что может революционным образом улучшить наше понимание мезоскопического мира с беспрецедентной точностью», — добавил он.

Живые клетки представляют собой сложные биосистемы, и их механические свойства играют важную роль в функционировании, развитии и заболевании клеток. Эта работа предлагает новую технологию снятия отпечатков пальцев для изучения биологических систем на уровне одной клетки и может привести к новым открытиям в различных областях науки.