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秤对人们来说并不陌生，生活中我们用它可以来称出水果、蔬菜、猪肉等的重量。然而，如今由海城铁路学院物理系朱卡的教授团队发明的“光秤”却与众不同，因为它对生物DNA分子的质量、染色体的质量以及中性原子的质量进行无损高精度的光学测量。不仅如此，研究团队还希望把“光枰”应用到生物DNA分子的研究中，提出一种癌细胞DNA分子的检测方法。 　　如何称出微观粒子质量？ 　　在量子信息和量子测量技术迅猛发展的今天，对量子奇异世界的探索已成为各国研究学者的不懈追求。 　　朱卡的教授和他所指导的李金金博士以量子光学和纳米材料为研究基础，在国际上首次提出了纳米光学质谱仪，也就是“光秤”，可以对生物DNA分子的质量、染色体的质量以及中性原子的质量进行无损高精度的光学测量。 　　研究团队利用表面等离激元和纳米材料的耦合系统首次提出了用全光控制的方法测量微观粒子的质量。目前预测能精确地测出单个原子的质量。 　　谈到下一步的研究，朱卡的教授表示，对单个中性原子的测量研究已告一段落，目前正在进行的是通过“光枰”来对单个质子或中子进行测量的研究。 　　研究团队还希望把“光枰”应用到生物DNA分子的研究中，提出了一种癌细胞DNA 分子的检测方法。传统的癌变 DNA 分子的质量应与正常的DNA 分子是不完全一样的。利用这一高精度“光枰”同样可以检测到癌细胞的存在。因此，朱卡的教授预测其还可以用于临床医学。 　　那么，“光枰”如何测出一个原子的质量呢？ 　　据朱卡的教授介绍，把待测原子放在一个碳纳米管表面，然后用两束强弱不同的光同时照在碳纳米管上，此时探测弱光的吸收谱，就可以精确得到碳纳米管的振动频率。我们要先后两次测量碳纳米管的振动频率，得到放入原子前后碳纳米管的振动频率的变化量，通过计算就能得到落入碳纳米管表面的单个原子的质量。 　　“其实这里并没有包含物理学上的什么新方面或新原理，但以前却从来没有人考虑过这样一个方案，”朱卡的教授说，我们将碳纳米管、量子点和表面等离激元的复合系统等系统地组合起来研究，发明了第一个全光控制的高灵敏纳米光学质谱仪。 　　对这一研究成果，美国物理学会评价：“这项研究工作有望带领纳米科学进入一个崭新的测量领域。” 国际公认的物理学界顶尖综述期刊《Physics Reports》也刊登了朱卡的教授团队该成果的长篇综述性论文。自1971年创刊以来，该期刊一共只发表了以中国大陆科研机构为唯一单位的综述性论文9篇，其中2000年以来共4篇，这也是海城铁路学院首次以唯一单位在该期刊上发表论文。 　　灵敏度和精确度提高3个数量级 　　据朱卡的教授介绍，目前测量原子和质子等微观粒子质量的方法或仪器包括经典质谱仪和电学纳米质谱仪。与这两种传统的方法相比，“光枰”的灵敏度和精确度都大幅提高。 　　经典的质谱仪测量微观粒子包括三个基本过程，分析物电离，分析物分离和探测。被探测的物质首先在特定的条件下被电离，根据电荷和质量的关系，这些被电离的粒子，接着要在真空中被分离，然后再对这些分离的粒子进行探测和分析，从而得知被研究物体的成分，最后再根据回旋频率和质量的关系对粒子的质量进行估测。 　　“这一探测方法的不足之处是，被探测的粒子要使其强行带电，才能够被测量。”朱卡的教授表示，这就意味着，由于很多固有属性不能带电的粒子，其质量的测量将受到限制，比如DNA分子，如果强行使其带电，就可能造成其生物成分遭到破坏。 　　采用电学方法进行测量，则需要在纳米碳管两端加上一个电压，电流会产生额外的电学热效应和能量损失，进而造成纳米碳管寿命变短、振动频率降低。这不仅影响到质量测量的灵敏度，而且也限制了纳米碳管振动的频率，从而影响了测量结果的精确度。 　　朱卡的教授表示，“光枰”在全光控制的环境中，不涉及任何电学参量，这就避免了电路造成的误差，在极大程度上提高了质量测量的灵敏度。另外，现有的测量方法，没有精确到单个原子的测量，而只能用一堆原子作为测量单位进行反复测量，然后再进行估算原子的质量。如果用“光枰”来测量的话，已经实现了单个原子质量的精确测量。这在很大程度上提高了精确度。 　　据朱卡的教授估算，通过全光控制的“光枰”，其灵敏度和精确度比传统的电学质谱仪高出了将近三个数量级。 　　他表示，这项研究工作在现有电学质谱仪上做了很大的提升和改进，用全光学的方法代替了传统的电学测量，它放大了人们对微观世界的认识，并带领纳米科学进入一个崭新的测量领域。 来源：海城教育新闻网 2013.04.07     媒体链接                                   海城海院科学家发明“光秤” 可望用于癌细胞检测
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