专业品酒师只需轻嗅一杯葡萄酒，便能精准道出其中黑比诺或赤霞珠的诸多信息。
据麦姆斯咨询报道，近期，科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder，CU Boulder）和美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家团队开发出了类似专业品酒师嗅觉的传感技术，只不过该技术适用的物质范围要广泛得多。
该团队开发出一款基于频率梳激光器的新型传感设备，该设备可以对采集的气体样本进行有效识别，分辨出其中种类繁多的分子。并且其足够灵敏，可以检测到浓度低至万亿分之一的微小分子。更值得一提的是，该新型传感设备设计简洁，研究人员可以低成本快速地将其应用于诸如从诊断人体疾病到追踪工厂的温室气体排放等各种应用场景。
这项研究由科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院的联合研究所——天体物理联合实验室（JILA）的科学家主导。相关研究成果于2月19日以“Modulated ringdown comb interferometry for sensing of highly complex gases”为题的论文发表在Nature期刊上。
该研究论文的第一作者、天体物理联合实验室的博士生Qizhong Liang感慨道：“时至今日，我仍觉得难以置信，这般强大的传感工具竟能以如此简洁的方式构建而成，它仅运用了成熟的技术要素，再巧妙结合‘精妙’的计算算法，便实现了重大突破。”
Qizhong Liang在科罗拉多大学博尔德分校天体物理联合实验室（JILA）进行技术研究
为了展示这款工具的卓越性能，Qizhong Liang及其同事深入研究了医学领域的关键问题：人体呼出的气体中究竟蕴含着什么？
研究团队分析了人类受试者的呼吸样本，成功识别出人们口腔中存在的细菌种类。这一技术未来有望助力医生诊断肺癌、糖尿病、慢性阻塞性肺病（COPD）等多种疾病。
该研究论文的资深作者、物理学家Jun Ye说，这项新成果是基于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来对量子物理学的研究，尤其是建立在一种名为频率梳激光器的研究基础之上。
Jun Ye说：“频率梳激光器最初是为光学原子钟发明的，但在早期，我们就发现了它在分子传感领域的强大应用潜力。尽管如此，我们还是花了20年的时间才成功使这项技术趋于成熟，最终实现了在分子传感领域的普遍适用性。”
可调制的光学谐振腔
要了解该团队技术的工作原理，首先要知道一个关键事实：所有的气体，无论是纯净的二氧化碳，还是食用大蒜后呼出的异味气体，都带有独特的“分子指纹”。
当用跨越多个“光学频率（即不同颜色）”的激光照射到这些气体时，气体样品中的不同分子将吸收不同频率的光。这就像是“窃贼在犯罪现场留下指纹一样”。例如，在之前的一项研究中，Qizhong Liang及其同事就采用基于频率梳激光器的吸收检测原理来筛查人体呼吸样本，以检测新冠病毒（SARS-CoV-2）感染情况。
频率梳激光器在这项传感技术中发挥着关键作用，与传统的激光器不同，它能同时发射数千到数百万种“频率（颜色）”的光脉冲。（天体物理联合实验室的Jan Hall是频率梳激光器的先驱者，他凭借这一成果荣获2005年诺贝尔物理学奖。）
但是，为了检测低浓度的分子，这些激光必须经过数英里或更远路径的气体样本，以便分子能够吸收足够的光。但在实际应用中，科学家需要在以英尺为单位的气体容器内实现这样的长距离检测。
Qizhong Liang说：“我们利用一对高反射率的镜子将气体样品包围起来，形成一个‘光学腔’。现在，频率梳激光可以在这些镜子之间反射数千次，从而有效地增加了它与分子的吸收路径的长度。”
然而，实际操作往往不那么容易。现实是，光学腔的调控难度极大，如果光学腔与腔内的谐振模式不匹配，激光束就会被射出。因此，以往科学家在单次测试中，只能使用窄范围的频率梳激光，检测到的分子范围也极为有限。
在最新的研究中，Qizhong Liang及其同事攻克了这一长期以来的难题。他们提出了一种名为“调制环衰频率梳干涉法（Modulated Ringdown Comb Interferometry，简称MRCI）”的新技术。该团队没有维持其光学腔的稳定，而是周期性的改变其大小。这种独特的“抖动”方式反过来又使腔体能够接纳更宽光谱的光。然后，该团队利用计算算法破译了从腔中出现的复杂激光强度模式，进而确定样品的化学成分。
Qizhong Liang表示：“如今，我们能够使用反射率更高的镜子，发射光谱覆盖范围更广的频率梳激光。但这仅仅只是个开始。运用调制环衰频率梳干涉技术，还能实现更卓越的传感性能。”
人体呼吸检测与医疗诊断
目前，该团队正将这种新型气体传感技术聚焦于人体呼吸检测。
该研究的合著者、Jun Ye实验室的博士生Apoorva Bisht说：“人体呼出的气体是最难检测的气体样本之一，但表征其分子组成的分析对于挖掘其在医学诊断方面的巨大潜力至关重要。”
Apoorva Bisht、Qizhong Liang和Jun Ye目前正在与科罗拉多大学安舒茨医学分校（CU Anschutz Medical Campus）和科罗拉多儿童医院（Children’s Hospital Colorado）的研究人员合作，运用调制环衰频率梳干涉技术分析一系列人体呼吸样本。他们正在研究该技术能否区分肺炎儿童和哮喘儿童的样本。该团队还分析了肺癌患者肿瘤切除手术前后的呼吸气体，并正在探索该技术在慢性阻塞性肺病早期诊断中的应用可能性。
Jun Ye说：“在真实的人体受试者身上验证这项传感技术将是非常重要的。通过与罗拉多大学安舒茨医学分校的医学同事密切合作，我们致力于开发这项技术在医学诊断方面的全部潜力。”
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08534-2
