經(jīng)典的質(zhì)譜儀測量微觀粒子包括三個基本過程，分析物電離，分析物分離和探測。這一探測方法的不足之處是，被探測的粒子要使其強行帶電，才能夠被測量。這就意味著，由于很多固有屬性不能帶電的粒子，其質(zhì)量的測量將受到限制，比如DNA分子，如果強行使其帶電，就可能造成其生物成分遭到破壞。而采用傳統(tǒng)的納米振子電學方法進行質(zhì)量測量，則需要在納米振子兩端加上一個電壓。但是，電流會產(chǎn)生額外的電學熱效應和能量損失，進而造成納米振子壽命變短、振動頻率降低。這不僅影響到質(zhì)量測量的靈敏度，而且也限制了納米振子振動的頻率，從而影響了測量結果的精確度。

納米光學質(zhì)譜儀在全光控制的環(huán)境中，不涉及任何電學參量，這就避免了電路造成的誤差，在極大程度上提高了質(zhì)量測量的靈敏度。另外，現(xiàn)有的測量方法，沒有精確到單個原子的測量，而只能用一堆原子作為測量單位進行反復測量，然后再進行原子質(zhì)量的估算。但是若用納米光學質(zhì)譜儀進行質(zhì)量測量的話，可以實現(xiàn)單個原子質(zhì)量的精確測量。這在很大程度上提高了測量精確度。通過全光控制的“光秤”，其靈敏度和精確度比傳統(tǒng)的電學質(zhì)譜儀高出將近三個數(shù)量級。這項研究工作在現(xiàn)有電學質(zhì)譜儀上做了很大的提升和改進，用全光學的方法代替了傳統(tǒng)的電學測量，它放大了人們對微觀世界的認識，并帶領納米科學進入一個嶄新的測量領域。

下面簡單介紹另外幾種朱卡的團隊提出的納米光學質(zhì)譜儀:

(1)基于碳納米管的納米光學質(zhì)譜儀。

碳納米管由于其超輕的質(zhì)量，超小的尺寸，以及對外界環(huán)境的高靈敏反應，受到科研工作者的廣泛關注。因此，用碳納米管作為納米光學質(zhì)譜儀的載體，其靈敏度要比納米機械振子高出幾個數(shù)量級。能夠更精確的稱出超輕粒子的質(zhì)量。單個半導體碳納米管可以簡單理解成石墨烯結構卷成的圓柱體，如圖6所示。在靜態(tài)非均勻電場的作用下，碳納米管通過空間調(diào)制的Stark移動被局域限制，其中央會產(chǎn)生一個局域激子。此局域激子的能級如圖6所示。因此，在靜態(tài)非均勻電場的作用下，碳納米管系統(tǒng)可以看作碳納米管和局域激子的相互作用。為了使此系統(tǒng)達到納米光學質(zhì)譜儀的作用，分別作用于一束強泵浦光和一束弱探測光。光的作用位置必須嚴格定位于碳納米管中局域激子的位置。碳納米管的振動效果可以看成聲子。通過測量探測光的透射譜，可以得到碳納米管的固有振動頻率。分別測量放入外界粒子前后碳納米管的振動頻率，就可以得到頻率的變化量。再根據(jù)前面介紹的公式(2)便可計算出外界粒子的質(zhì)量。此時，圖6這樣一個系統(tǒng)就具備光學質(zhì)譜儀的特性了。具體的測量方法與納米機械振子作為稱重載體是一樣的。前面已經(jīng)講過，在這里就不加贅述。

圖6 兩端固定懸浮式碳納米管質(zhì)譜儀的結構圖。分別作用一束強泵浦光和一束弱探測光于此碳納米管的中央。Cr原子和Xe原子分別從一個特殊的蒸發(fā)器里降落下來并吸附在碳納米管的表面。下面的插入圖為碳納米管中局域激子的能級圖。

(2)等離子體增強的碳納米管光學質(zhì)譜儀。

圖7 在等離子體輔助下，兩端固定懸浮式碳納米管質(zhì)譜儀。分別作用一束強泵浦光和一束弱探測光于此碳納米管的中央。等離子體由單個金納米顆粒產(chǎn)生，此納米金屬顆粒吸附在一個AFM光纖的末端，并懸浮于碳納米管局域激子位置的上方。納米金屬顆粒具有半徑a0，到局域激子的距離為R。圖中Xe原子從一個特殊的蒸發(fā)器發(fā)出并吸附在碳納米管的表面。下面的插入圖為等離子體，納米碳管和局域振子在Pump-probe技術作用下的耦合能級圖

為了達到測量單個粒子質(zhì)量的效果，必須再次提高納米光學質(zhì)譜儀的靈敏度，上海交通大學物理系朱卡的研究團隊想到的辦法是在圖6的系統(tǒng)中再輔助一個納米金屬顆粒。朱卡的研究團隊早在2008年就研究過納米金屬粒子在雙光控制條件下的光學傳播行為。通過理論計算發(fā)現(xiàn)納米金屬顆粒在光照的條件下，其周圍會產(chǎn)生局域光場，被稱為等離子體。而此等離子體對外界的照射光場亦有很強的反作用，可以增強外界照射光場的信號，達到光增益的效果。之后，朱卡的研究團隊的這些理論預測陸續(xù)也被一些實驗文章所驗證。因此，為了提高碳納米管光學質(zhì)譜儀的靈敏度，可以輔助一個納米金屬顆粒。圖7為此耦合系統(tǒng)的結構圖，一個金納米粒子(半徑為a0)通過AFM懸浮于碳納米管中局域激子的正上方R處。用Pump-probe技術對此耦合系統(tǒng)進行光學探測。下面的插入圖為等離子體，碳納米管和局域激子的耦合能級圖。我們看到在雙光的作用下，此二能級局域激子的上下兩個能級分別與碳納米管的振動和等離子體相互作用。

為了說明納米光學質(zhì)譜儀的靈敏度，以及等離子體在光學質(zhì)譜過程中起到的作用。這里呈現(xiàn)一幅靈敏度的對比圖，如圖8。圖中(a)為單個碳納米管結構在雙光控制下的靈敏度光譜圖，我們看到圖中譜寬對應為120 kHz。也就是說，我們利用單個碳納米管進行粒子質(zhì)量時，得到的光譜圖范圍不能小于120 kHz。而加上等離子體的輔助后(圖b)，其譜寬立刻縮小的一個量級，達到75 kHz的單位。換而言之，等離子體確實有縮小譜寬，提高靈敏度的功能。這樣一個量級的質(zhì)量測量，為今后單個質(zhì)子、中性粒子質(zhì)量的測量提供了有利的理論平臺。圖(c)為利用傳統(tǒng)的電學測量方案得到的質(zhì)譜儀的譜寬，我們看到在1 MHz的范圍，遠遠大于基于碳納米管的光學質(zhì)譜儀的譜寬。也就是說電學測量方案的靈敏度比納米光學質(zhì)譜儀要低很多。因此，利用傳統(tǒng)的電學質(zhì)譜儀是遠遠不能夠?qū)崿F(xiàn)單個粒子的質(zhì)量測量的。