毕达哥拉斯首先发现弦的振动在某些频率下会急剧增强。这一发现构成了我们音调系统的基础。这种自然振动普遍存在于物体中，无论其大小如何，并被广泛用于推导其种类、成分和形态。例如，太赫兹速率的分子振动已成为化学物质识别和大生物分子结构分析的最常见指纹。

最近，介观尺度粒子的自然振动引起了越来越多的兴趣，因为这一类别包括广泛的功能粒子，以及大多数生物细胞和病毒。然而，现有技术仍然隐藏着这些介观粒子的自然振动。

这些尺寸从100nm到100μm的颗粒预计会以兆赫到千兆赫的速率轻微振动。然而，由于强烈的瑞利翼散射，当前的拉曼和布里渊光谱无法解析该频率范围，而在宏观系统中广泛使用的压电技术的性能在超过几兆赫兹的频率下会显着下降。

北京大学肖云峰教授领导的团队在《自然光子学》上发表题为“使用光学微谐振器的单粒子光声振动光谱”的新论文，展示了使用光学微谐振器实时测量单个介观粒子的自然振动，扩展了单粒子光声振动光谱的研究。振动光谱到达新的光谱窗口。

唐水晶博士将基于微谐振腔的振动光谱的工作原理总结如下：“介观粒子预计会以MHz至GHz的速率振动，而它们的振动幅度通常过于微小，传统技术无法检测到。在这个问题上，人们提出了一种新的振动光谱学，它涉及使用短激光脉冲来加热粒子并诱发其振动。

北京大学研究副教授水晶表示：“通过将粒子直接放置在高Q值光学微谐振器上，粒子的振动会在微谐振器内产生声波，最终扰乱其光学模式。”

在振动光谱实验中，研究人员将介观粒子沉积在半径约为30μm、品质因数约为106的二氧化硅微球形谐振器上。然后，他们使用脉冲激光(波长为532nm，持续时间为200ps)照射粒子并激发它们的振动，入射能量密度约为2pJμm-2。

将连续波探针激光器耦合到微谐振器以激发其光学模式，并通过监测发射激光的功率来实时检测颗粒的振动。通过使用时间响应的傅里叶变换，获得了粒子的振动光谱。

使用具有不同成分、尺寸和内部结构的介观粒子成功验证了振动光谱。结果显示出前所未有的50dB信噪比和超过1GHz的检测带宽。

借助这项创新技术，团队进一步展示了单细胞水平上微生物物种和生存状态的生物力学指纹。他们发现，由于某些生物物种高度明确且稳定的形态，同一物种的微生物细胞的自然频率聚集在一起，形成独特的指纹。

“这种振动光谱能够以非破坏性的方式询问颗粒的结构和机械特性。具体来说，可以从振动光谱推断细胞与其物种和生命状态相关的重要生物力学特性，”肖云峰博士，北京大学博雅教授。

他补充说：“这项技术可以对各种介观粒子进行振动光谱分析，这可以以前所未有的精度革命性地推进我们对介观世界的理解。”

活细胞是复杂的生物系统，其机械特性在细胞功能、发育和疾病中发挥着重要作用。这项工作提供了一种新的指纹技术来研究单细胞水平的生物系统，并将在各个科学领域带来新的见解和发现。

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