约翰霍普金斯大学的一组工程师开发了一种新的、更强大的方法来观察分子振动，这一进步可能对早期疾病检测产生深远的影响。

该团队由机械工程系教授伊尚·巴曼 (Ishan Barman) 领导，首次展示了如何利用光与分子形成特殊的混合状态，从而可以更清晰、更精确地检测到最微小的振动。

该团队的研究成果发表在《科学进展》上。

在医疗保健领域，这种检测分子的新方法可以更早、更准确地检测血液、唾液或尿液中的疾病生物标志物。此外，它还可能在更广泛的医疗应用领域产生其他影响：在制药领域，它可以实时监测复杂的化学反应，以确保产品的一致性和安全性;在环境科学领域，它可以以前所未有的可靠性对痕量污染物或有害化合物进行检测。

分子振动——分子内原子的微小而独特的运动——提供了化学“指纹”，可以揭示从感染和代谢紊乱到癌症等疾病的存在。

科学家通常使用红外和拉曼光谱等技术来检测这些振动，但这些方法存在根本的局限性：它们所依赖的信号通常很微弱，很容易被背景噪声淹没，并且难以在血液或组织等复杂的生物环境中分离。

“我们试图克服分子传感领域一个长期存在的挑战：如何使分子的光学检测更灵敏、更稳健、更能适应现实世界的条件?”巴曼说道，他在西德尼·金梅尔综合癌症中心和约翰·霍普金斯医学院放射学和放射科学系同时任职。

“我们并没有试图逐步改进传统方法，而是提出了一个更根本的问题：如果我们能够重新设计光与物质相互作用的方式，从而创造一种全新的传感方式，那会怎样?”

研究团队利用高反射率的金镜形成一个光学腔，捕获光线并使其来回“反射”，从而大大增强了光线与封闭分子的相互作用。受限的光场和分子振动相互交织，形成了全新的量子态，称为“振动极化子”。

该团队能够在现实环境中实现这一壮举，无需高真空、低温或其他极端环境，而这些环境通常需要保存脆弱的量子态。该研究的主要作者、约翰·霍普金斯大学机械工程系副研究员彭政表示，这项研究详细说明了如何将“量子振动极化子传感”从概念转化为可运行的平台，并可能催生出一类新型的量子光学传感器。

郑说：“我们现在可以设计分子周围的量子环境，利用量子振动极化子态来选择性地增强分子的光学指纹，而不是被动地检测分子。”

这项研究以一种无需传统基础设施的新方式运用量子原理，标志着新兴环境量子技术领域发展的一个重要里程碑。Barman 的最终设想是，设计出紧凑的微芯片级设备，将这些量子技术应用于便携式即时诊断工具和人工智能诊断方法。

巴曼说：“量子传感的未来并不局限于实验室——它将对医学、生物制造等领域产生现实影响。”

更多信息： Peng Zheng 等，量子振动极化子传感，Science Advances (2025)。期刊信息： Science Advances