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一种新的基于激光的设备可以扫描几乎任何气体样本，并检测其分子成分，浓度低至万亿分之一。
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科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究所（NIST）的一组物理学家已经取得了类似的传感壮举，只不过对更广泛的物质进行了感应。
该小组开发了一种新的基于激光的设备，可以采集任何气体样本，并识别其中种类繁多的分子。它足够灵敏，可以在微小浓度到万亿分之一的情况下检测到这些分子。它的设计也很简单，研究人员可以快速、低成本地将这种方法应用于各种环境，从诊断人类病人的疾病到追踪工厂的温室气体排放。
这项研究是由科罗拉多大学博尔德分校和NIST的联合研究所JILA的科学家领导的。该团队将于2月19日在《自然》杂志上发表其研究结果。
“即使在今天，我仍然觉得难以置信，最强大的传感工具可以如此简单地制造出来，只使用成熟的技术成分，但与一个聪明的计算算法联系在一起，”该研究的主要作者、JILA的博士生Qizhong Lian说。
为了展示这个工具的能力，梁和他的同事们深入研究了医学中的一个重要问题：你呼出的空气中有什么？
该团队分析了真实人类受试者的呼吸样本，并表明他们可以识别出生活在人们口腔中的细菌类型。这项技术有一天可以帮助医生诊断肺癌、糖尿病、慢性阻塞性肺病（COPD）等等。
该研究的资深作者、物理学家叶军说，这项新工作建立在科罗拉多大学博尔德分校和nist近三十年来对量子物理学的研究基础上，特别是围绕一种被称为频率梳状激光器的专用设备。
“频率梳激光器最初是为光学原子钟发明的，但很早就，我们发现了它在分子传感方面的强大应用，”叶说，他是JILA和NIST的研究员，也是科罗拉多大学博尔德分校的物理学副教授。“尽管如此，我们还是花了20年的时间才使这项技术成熟，最终实现了分子传感的普遍适用性。”
要了解研究小组的技术是如何工作的，首先要了解所有的气体，从纯二氧化碳到你吃大蒜后的臭味，都带有某种类型的指纹。
如果你用跨越多个“光学频率”或颜色的激光探测这些气体，气体样品中的分子将吸收不同频率的光。这就像是窃贼在犯罪现场留下了指纹。例如，在之前的一项研究中，梁和他的同事使用这种激光吸收检测原理来筛选人类呼吸样本，以寻找SARS-CoV-2感染的迹象。
频率梳非常适合这种技术，因为与传统激光器不同，它们同时发射数千到数百万种颜色的光脉冲。（JILA的Jan Hall是这种激光器的先驱，并因此在2005年获得了诺贝尔物理学奖）。
但是，为了检测低浓度的分子，这些激光还必须穿过几英里或更远的距离，以便分子能够吸收足够的光。
为了切实可行，科学家们必须认识到，以一英尺为单位的气体容器内的距离。
Liang说：“我们用一对高反射率的镜子将气体样品包裹起来，形成一个‘光学腔’。”“梳状光现在可以在这些镜子之间反射几千次，从而有效地增加了它与分子的吸收路径长度。”
这就是我们的目标。在实践中，光学腔是棘手的工作和弹出激光束，如果他们没有适当地匹配谐振腔的模式。因此，科学家们以前只能在一次测试中使用窄范围的梳状光，探测到窄范围的分子。
在这项新研究中，梁和他的同事克服了这个长期存在的挑战。他们提出了一种新技术，他们将其命名为调制环衰梳干涉测量法，或MRCI（发音为“mercy”）。该团队没有保持其光学腔的稳定，而是定期改变其大小。这种抖动反过来又使腔体能够接受更宽光谱的光。然后，该团队用计算算法破译了从腔中出现的复杂激光强度模式，以确定样品的化学成分。
“我们现在可以使用反射率更大的镜子，发射光谱覆盖范围更广的梳状光。”“但这仅仅是个开始。使用MRCI可以建立更好的传感性能。”
研究小组现在将新的气体嗅探器转向人类的呼吸。
“呼气是最具挑战性的气体样本之一，但表征其分子组成非常重要，因为它具有强大的医学诊断潜力，”该研究的合著者博士生Apoorva Bisht说。
Bisht， Liang和Ye现在正在与科罗拉多大学安舒茨医学院和科罗拉多儿童医院的研究人员合作，使用核磁共振成像分析一系列呼吸样本。他们正在研究核磁共振成像能否区分肺炎儿童和哮喘儿童的样本。该小组还分析了肺癌患者肿瘤切除手术前后的呼吸，并正在探索该技术是否可以诊断慢性阻塞性肺疾病（COPD）的早期阶段。
“在现实世界的人类受试者身上验证我们的方法将是非常重要的。通过与CU Anschutz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。”
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