据国外媒体消息，近日，科罗拉多大学博尔德分校与美国国家标准与技术研究院（NIST）的物理学家团队最近研发出一种基于频率梳激光器的新型设备，它可以采集任何气体样本，并能非常灵敏地识别其中的大量分子。该设备设计简单，成本低廉，可广泛应用于疾病诊断和工厂温室气体排放监测等场景。相关研究成果已于2月19日发表在《自然》杂志上。

为何要开发这种传感器

当前，超高灵敏度气体传感器市场需求迫切和多样，在环保检测领域，亟需更精准的监测低浓度污染物；在医疗健康领域，需要可通过检测呼气中的生物标志物实现早期疾病诊断；在工业安全领域，需实时精准监测有毒有害气体，以保障生产安全；在智能家居和物联网领域，则对气体检测的灵敏度和成本效益提出了更高要求。然而，现有的传感器在灵敏度、选择性和稳定性方面仍存在不足，难以满足这些需求。因此，开发超高灵敏度气体传感器，不仅是突破技术瓶颈的必然选择，更是满足多领域高精度检测需求、推动社会可持续发展的关键举措。

如何实现这一进展

“即使到今天，我仍然觉得难以置信，如此强大的检测工具竟然可以用如此简单的成熟技术构建，只是通过巧妙的计算算法将它们结合在一起。”的主要研究作者、JILA的博士生梁启中（音译）说。为了展示这一工具的能力，梁启中和他的同事们深入研究了一个医学领域的重要问题：你呼出的空气中含有什么？

研究人员分析了真实人类受试者的呼气样本，证明他们可以识别人口腔中细菌的种类。这种技术未来可能帮助医生诊断肺癌、糖尿病、慢性阻塞性肺病（COPD）等疾病。该研究的资深作者、物理学家叶军（音译）表示，这项新研究建立在科罗拉多大学博尔德分校和NIST近三十年的量子物理研究基础之上，尤其是围绕一种名为“频率梳激光”的特殊设备。  

“频率梳激光最初是为光学原子钟发明的，但很早就被我们发现其在分子检测方面的强大应用。”叶军说，他是JILA和NIST的研究员，同时也是科罗拉多大学博尔德分校的物理副教授。“尽管如此，我们也花了20年时间才完善这一技术，最终使其能够广泛应用于分子检测。”  

这一科研进展的意义

要理解该团队的技术原理，你需要了解所有气体——从纯二氧化碳到你吃大蒜后的口气——都带有某种“指纹”。  

如果用涵盖多种“光学频率”或颜色的激光探测这些气体，气体样本中的分子会在不同频率吸收光就像，窃贼在犯罪现场留下的指纹一样。例如，在之前的一项研究中，梁启中和他的同事们利用这种激光吸收检测原理，筛查人类呼气样本中的SARS-CoV-2感染迹象。频率梳激光非常适合这种技术，因为与传统激光不同，它们可以同时发射数千到数百万种颜色的光脉冲（JILA的扬·霍尔开创了这种激光，并因此获得2005年诺贝尔物理学奖）。  

然而，为了检测低浓度的分子，激光则必须穿过数英里甚至更远的距离，以便分子吸收足够的光。为了实用，科学家必须在尺寸仅为一英尺的气体容器内实现这一距离。  

“我们将气体样本置于一对高反射率镜子之间，形成一个‘光学腔’。”梁启中说，“频率梳光可以在这些镜子之间来回反射数千次，从而有效增加其与分子的吸收路径长度。”  

但这只是目标。实际上，光学腔很难操作，如果激光与腔的共振模式不匹配，激光束就会被弹出。因此，科学家此前只能使用有限范围的频率梳光，并且只能检测有限种类的分子。  

在新研究中，梁启中和他的同事们克服了这一长期挑战。他们提出了一种名为调制环形梳干涉仪（MRCI，读作“mercy”）的新技术。与保持光学腔稳定不同，该团队会定期改变其大小。这种“抖动”使腔能够接受更广泛的光谱。随后，团队通过计算算法解析从腔中出现的复杂激光强度模式，以确定样本的化学成分。  

“我们现在可以使用反射率更高的镜子，并引入更宽光谱范围的频率梳光。”梁启中说，“但这只是开始。使用MRCI可以实现更好的传感性能。”  

呼气检测：未来的应用方向

该团队正在将这种新型气体检测器应用于人类呼气研究。

“呼出的气体是最具挑战性的气体样本之一，但其分子成分的特征对于医学诊断巨大具有潜力。”该研究的共同作者、叶军实验室的博士生阿普尔瓦·比什特（音译）说。  

比什特、梁启中和叶军目前正在与科罗拉多大学安舒茨医学园区和科罗拉多儿童医院的研究人员合作，使用MRCI分析多种呼气样本。他们正在研究MRCI是否能够区分患有肺炎的儿童和患有哮喘的儿童的样本。该团队还在分析肺癌患者肿瘤切除手术前后的呼气样本，并探索该技术是否能用于诊断慢性阻塞性肺病（COPD）的早期患者。  

“在真实人类受试者上验证我们的方法将具有极其重要的意义。”叶军说，“通过与科罗拉多大学安舒茨的医学同事密切合作，我们致力于充分发挥技术这一在医学诊断中的潜力。”