纳米光学质谱仪—“光秤”(二)

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。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。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。而采用传统的纳米振子电学方法进行质量测量，则需要在纳米振子两端加上一个电压。但是，电流会产生额外的电学热效应和能量损失，进而造成纳米振子寿命变短、振动频率降低。这不仅影响到质量测量的灵敏度，而且也限制了纳米振子振动的频率，从而影响了测量结果的精确度。

纳米光学质谱仪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，然后再进行原子质量的估算。但是若用纳米光学质谱仪进行质量测量的话，可以实现单个原子质量的精确测量。这在很大程度上提高了测量精确度。通过全光控制的“光秤”，其灵敏度和精确度比传统的电学质谱仪高出将近三个数量级。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。

下面简单介绍另外几种朱卡的团队提出的纳米光学质谱仪:

(1)基于碳纳米管的纳米光学质谱仪。

碳纳米管由于其超轻的质量，超小的尺寸，以及对外界环境的高灵敏反应，受到科研工作者的广泛关注。因此，用碳纳米管作为纳米光学质谱仪的载体，其灵敏度要比纳米机械振子高出几个数量级。能够更精确的称出超轻粒子的质量。单个半导体碳纳米管可以简单理解成石墨烯结构卷成的圆柱体，如图6所示。在静态非均匀电场的作用下，碳纳米管通过空间调制的Stark移动被局域限制，其中央会产生一个局域激子。此局域激子的能级如图6所示。因此，在静态非均匀电场的作用下，碳纳米管系统可以看作碳纳米管和局域激子的相互作用。为了使此系统达到纳米光学质谱仪的作用，分别作用于一束强泵浦光和一束弱探测光。光的作用位置必须严格定位于碳纳米管中局域激子的位置。碳纳米管的振动效果可以看成声子。通过测量探测光的透射谱，可以得到碳纳米管的固有振动频率。分别测量放入外界粒子前后碳纳米管的振动频率，就可以得到频率的变化量。再根据前面介绍的公式(2)便可计算出外界粒子的质量。此时，图6这样一个系统就具备光学质谱仪的特性了。具体的测量方法与纳米机械振子作为称重载体是一样的。前面已经讲过，在这里就不加赘述。

图6 两端固定悬浮式碳纳米管质谱仪的结构图。分别作用一束强泵浦光和一束弱探测光于此碳纳米管的中央。Cr原子和Xe原子分别从一个特殊的蒸发器里降落下来并吸附在碳纳米管的表面。下面的插入图为碳纳米管中局域激子的能级图。

(2)等离子体增强的碳纳米管光学质谱仪。

图7 在等离子体辅助下，两端固定悬浮式碳纳米管质谱仪。分别作用一束强泵浦光和一束弱探测光于此碳纳米管的中央。等离子体由单个金纳米颗粒产生，此纳米金属颗粒吸附在一个AFM光纤的末端，并悬浮于碳纳米管局域激子位置的上方。纳米金属颗粒具有半径a0，到局域激子的距离为R。图中Xe原子从一个特殊的蒸发器发出并吸附在碳纳米管的表面。下面的插入图为等离子体，纳米碳管和局域振子在Pump-probe技术作用下的耦合能级图

为了达到测量单个粒子质量的效果，必须再次提高纳米光学质谱仪的灵敏度，上海交通大学物理系朱卡的研究团队想到的办法是在图6的系统中再辅助一个纳米金属颗粒。朱卡的研究团队早在2008年就研究过纳米金属粒子在双光控制条件下的光学传播行为。通过理论计算发现纳米金属颗粒在光照的条件下，其周围会产生局域光场，被称为等离子体。而此等离子体对外界的照射光场亦有很强的反作用，可以增强外界照射光场的信号，达到光增益的效果。之后，朱卡的研究团队的这些理论预测陆续也被一些实验文章所验证。因此，为了提高碳纳米管光学质谱仪的灵敏度，可以辅助一个纳米金属颗粒。图7为此耦合系统的结构图，一个金纳米粒子(半径为a0)通过AFM悬浮于碳纳米管中局域激子的正上方R处。用Pump-probe技术对此耦合系统进行光学探测。下面的插入图为等离子体，碳纳米管和局域激子的耦合能级图。我们看到在双光的作用下，此二能级局域激子的上下两个能级分别与碳纳米管的振动和等离子体相互作用。

为了说明纳米光学质谱仪的灵敏度，以及等离子体在光学质谱过程中起到的作用。这里呈现一幅灵敏度的对比图，如图8。图中(a)为单个碳纳米管结构在双光控制下的灵敏度光谱图，我们看到图中谱宽对应为120 kHz。也就是说，我们利用单个碳纳米管进行粒子质量时，得到的光谱图范围不能小于120 kHz。而加上等离子体的辅助后(图b)，其谱宽立刻缩小的一个量级，达到75 kHz的单位。换而言之，等离子体确实有缩小谱宽，提高灵敏度的功能。这样一个量级的质量测量，为今后单个质子、中性粒子质量的测量提供了有利的理论平台。图(c)为利用传统的电学测量方案得到的质谱仪的谱宽，我们看到在1 MHz的范围，远远大于基于碳纳米管的光学质谱仪的谱宽。也就是说电学测量方案的灵敏度比纳米光学质谱仪要低很多。因此，利用传统的电学质谱仪是远远不能够实现单个粒子的质量测量的。