基于飛秒激光超快光譜的生物表界面力學(xué)參數(shù)全光測(cè)量（特邀）

張何，許文雄，李奇維，夏傳晟，王瀟璇，丁海波，徐春祥，崔乾楠

（東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096）

0 引言

生物表界面是人體細(xì)胞及器官開(kāi)展生命活動(dòng)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，精準(zhǔn)測(cè)量生物表界面的楊氏模量等力學(xué)參數(shù)，將為疾病的早期診斷、體外疾病模型與人工器官芯片的構(gòu)建提供直接的數(shù)據(jù)參考［1，2］。從物理參數(shù)的定義上看，楊氏模量等于施加的應(yīng)力比上相應(yīng)的應(yīng)變。因此，以細(xì)胞為例，一種直接測(cè)量其表界面楊氏模量的方法，便是通過(guò)原子力顯微探針對(duì)其按壓，測(cè)出探針針尖的應(yīng)力和細(xì)胞的應(yīng)變，獲得楊氏模量［3］。顯而易見(jiàn)，這是一種侵入性的測(cè)量方法，不僅可能會(huì)對(duì)細(xì)胞膜等表界面結(jié)構(gòu)造成破壞，而且很難實(shí)現(xiàn)快速成像。另外，在傳統(tǒng)超聲成像方法的基礎(chǔ)上，人們還發(fā)展出了超聲彈性成像技術(shù)，其基本思路在于利用超聲波的回波信號(hào)，對(duì)生物組織形變前后進(jìn)行對(duì)比成像，從而結(jié)合算法，重構(gòu)、解析出楊氏模量等參數(shù)的三維空間分布信息［4］。然而，傳統(tǒng)超聲成像采用基于壓電效應(yīng)的超聲換能器，向生物組織輻射的超聲波頻率在MHz 量級(jí)，導(dǎo)致成像空間分辨率被限制在微米尺度，很難滿足生物表界面高分辨力學(xué)參數(shù)成像的要求［5］。理論和實(shí)驗(yàn)表明，基于超快激光脈沖與固體晶格相互作用過(guò)程所產(chǎn)生的光聲效應(yīng)，可以有效誘導(dǎo)出固體晶格的量子化相干振動(dòng)，即相干聲學(xué)聲子，頻率可達(dá)到GHz 量級(jí)［6-8］。綜上可見(jiàn)，通過(guò)新型光聲換能器與超快激光光譜技術(shù)的協(xié)同，有望突破已有測(cè)量方法的瓶頸，大幅度提升生物表界面力學(xué)參數(shù)測(cè)量與成像的空間分辨率。

近年來(lái)，層狀二維半導(dǎo)體材料，例如過(guò)渡金屬二硫化物（二硫化鉬等），不僅具有優(yōu)異的光、電、力學(xué)等基本物性［9-10］，而且展現(xiàn)出低成本、高穩(wěn)定性和高生物相容性等獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［11-14］。更為重要的是，與常規(guī)半導(dǎo)體或貴金屬納米薄膜等光聲換能器相比，二維半導(dǎo)體層間通過(guò)較弱的范德瓦爾斯力耦合，易與生物材料復(fù)合形成異質(zhì)界面，為構(gòu)筑新型光聲換能器提供了新的選擇。在前期的低波數(shù)拉曼光譜研究中，人們?cè)趯訝疃S半導(dǎo)體中觀測(cè)到頻移在GHz 量級(jí)的布里淵散射光譜信號(hào)，證明激光與層狀二維半導(dǎo)體相互作用可以誘導(dǎo)出GHz 頻率的晶格呼吸模振蕩［15-16］，也稱之為相干聲學(xué)聲子振蕩（振動(dòng)方向垂直與二維晶格平面）。進(jìn)一步，為了在時(shí)間上直接監(jiān)測(cè)這些相干聲學(xué)聲子振蕩，北京大學(xué)孫棟等采用飛秒激光泵浦探測(cè)［17］，探索了多層二硫化鉬中相干聲學(xué)聲子振蕩頻率與層數(shù)的關(guān)聯(lián)。這些研究，充分證明層狀二維半導(dǎo)體在飛秒激光脈沖的激發(fā)下，可以產(chǎn)生GHz 頻率的局域相干振蕩。然而，如何利用這種高頻相干振蕩在生物表界面上輻射產(chǎn)生GHz 頻率的聲波，以及如何檢測(cè)這種高頻聲波的時(shí)空傳輸過(guò)程并獲取生物表界面力學(xué)參量等信息，仍是需要進(jìn)行深入探討的問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本工作以多層二硫化鉬（MoS2）與聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）生物水凝膠材料形成的復(fù)合異質(zhì)界面為范例，采用飛秒激光泵浦探測(cè)，對(duì)多層二硫化鉬產(chǎn)生的相干聲學(xué)聲子局域振蕩模式和生物水凝膠中形成的高頻聲波模式進(jìn)行了時(shí)間分辨測(cè)量，時(shí)間分辨率約100 fs。該時(shí)間分辨信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后，在頻域上獲得兩個(gè)中心頻率不等的共振峰，實(shí)現(xiàn)了界面兩側(cè)不同物質(zhì)力學(xué)信號(hào)的區(qū)分。進(jìn)一步，基于“光追蹤聲”的布里淵振蕩模型，利用所測(cè)生物水凝膠共振頻率，計(jì)算獲得了生物水凝膠的聲速及楊氏模量，在技術(shù)上完成了生物表界面力學(xué)參數(shù)的全光測(cè)量。最后，對(duì)生物表界面聲學(xué)能量耗散和力學(xué)參數(shù)的空間依賴性做出了探討與展望。該研究對(duì)于深入理解層狀二維半導(dǎo)體異質(zhì)界面中GHz 高頻相干振動(dòng)及波動(dòng)的物理特性，進(jìn)而構(gòu)筑面向生物表界面的新型光聲換能器，發(fā)展超高時(shí)空分辨光學(xué)成像技術(shù)，具有普適的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 為實(shí)驗(yàn)中使用的飛秒激光泵浦探測(cè)系統(tǒng)，鈦寶石飛秒激光振蕩器輸出中心波長(zhǎng)為800 nm 的飛秒脈沖激光，脈沖寬度約為100 fs，重復(fù)頻率為80 MHz。通過(guò)分光鏡將輸出的800 nm 飛秒激光分為兩束，一束通過(guò)偏硼酸鋇（BBO）晶體倍頻后產(chǎn)生400 nm 飛秒激光，作為泵浦光，用于同步激發(fā)層狀二維半導(dǎo)體的光生載流子和高頻呼吸模振蕩。BBO 后放置沃拉斯頓棱鏡（Wollaston Prism，WP），將800 nm 和400 nm 光譜成分進(jìn)行空間分離、濾波，并僅將400 nm 光束引入泵浦光路。另一束800 nm 飛秒激光，作為探測(cè)光，送入包含光學(xué)延遲線（Delay Stage）的探測(cè)光路。泵浦光與探測(cè)光，經(jīng)分光鏡合束、顯微物鏡（Objective Lens，OB）聚焦后，抵達(dá)層狀二維半導(dǎo)體表面。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)光學(xué)延遲線來(lái)調(diào)節(jié)兩列脈沖的光程差，從而實(shí)現(xiàn)泵浦激光脈沖與探測(cè)激光脈沖時(shí)間延遲的調(diào)控。半波片（Half-wave Plate，HP）和偏振片（Polarizer，P）的組合用于控制泵浦及探測(cè)激光的功率。光電探測(cè)器（Detector）用于接收探測(cè)激光的反射信號(hào)。另外，為了實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)中采用了鎖相放大技術(shù)，即光學(xué)斬波器以約4.2 kHz 的頻率調(diào)制飛秒激光泵浦脈沖，光學(xué)斬波器與鎖相放大器（SR830）進(jìn)行頻率同步，用鎖相放大器直接讀取探測(cè)激光反射信號(hào)的變化。同時(shí)為了抑制飛秒激光功率波動(dòng)導(dǎo)致的噪聲，還采用了平衡探測(cè)技術(shù)，即通過(guò)分光及功率控制等手段，將未與樣品作用的和從樣品表面反射的飛秒探測(cè)激光，分別引入光電探測(cè)器的參考端和信號(hào)端，使兩路信號(hào)做減法運(yùn)算，進(jìn)一步提高時(shí)間分辨光譜測(cè)量的信噪比。

當(dāng)泵浦激光脈沖在抵達(dá)多層二維半導(dǎo)體時(shí)，通過(guò)帶間電子躍遷向多層二維半導(dǎo)體中注入了光生載流子［18-19］。光生載流子進(jìn)行能量馳豫的同時(shí)，多層二維半導(dǎo)體晶格通過(guò)形變勢(shì)等機(jī)制［20］，同步誘導(dǎo)出高頻相干聲學(xué)聲子振蕩，即振動(dòng)方向垂直于二維晶格平面的呼吸模。光生載流子的注入、馳豫和晶格的振動(dòng)過(guò)程都將使多層二維半導(dǎo)體介電常數(shù)產(chǎn)生微小的變化，進(jìn)而導(dǎo)致探測(cè)激光反射功率的微小變化。通過(guò)直接測(cè)量探測(cè)激光微分反射信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)多層二維半導(dǎo)體光生載流子與高頻振蕩物理過(guò)程的同步實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。從信號(hào)的特征看，光生載流子與高頻振蕩信號(hào)具有顯著的區(qū)別，分別呈指數(shù)式衰減和阻尼式振蕩。

2 結(jié)果與討論

圖2 是頻率為GHz 的聲波全光誘導(dǎo)與探測(cè)示意圖。這種情況下GHz 聲波的輻射產(chǎn)生，需要在二維薄膜光聲換能器中高效誘導(dǎo)出相干聲學(xué)聲子振蕩的基礎(chǔ)上，構(gòu)建異質(zhì)界面。首先，當(dāng)飛秒激光泵浦脈沖（藍(lán)色箭頭）的光學(xué)穿透深度大于MoS2薄膜的厚度時(shí)，MoS2各層晶格被瞬時(shí)整體激發(fā)，通過(guò)形變勢(shì)等機(jī)制產(chǎn)生出GHz 頻率的呼吸模振蕩（相干聲學(xué)聲子）；該呼吸模振蕩，在層狀MoS2左側(cè)表面與玻璃襯底形成的二維異質(zhì)界面上，可等效為一個(gè)波源，經(jīng)振動(dòng)產(chǎn)生波動(dòng)，向玻璃襯底中發(fā)射一列具有GHz 頻率的聲縱波（綠色箭頭），如圖2（a）所示。類似地，在MoS2右側(cè)表面繼續(xù)覆蓋一層生物水凝膠后，形成新的二維異質(zhì)界面；MoS2晶格的高頻振蕩，將分別向玻璃襯底和生物水凝膠發(fā)射兩列GHz 頻率、反向傳播的聲縱波，如圖2（b）所示。

為了檢測(cè)飛秒激光泵浦脈沖誘導(dǎo)出的GHz 聲波的時(shí)空傳輸過(guò)程，需要選擇另一束強(qiáng)度較弱的飛秒激光探測(cè)脈沖（紅色箭頭），并測(cè)量探測(cè)激光微分反射信號(hào)隨時(shí)間延遲的變化。以圖2（a）為例：一方面，飛秒激光探測(cè)脈沖，傳播到玻璃襯底/MoS2界面上時(shí)，將發(fā)生反射，記為R0。飛秒激光泵浦脈沖在MoS2中誘導(dǎo)出的光生載流子和晶格振蕩（相干聲學(xué)聲子），都會(huì)使MoS2薄膜的介電常數(shù)實(shí)部和虛部產(chǎn)生微小的變化，從而使得該界面的探測(cè)激光反射功率產(chǎn)生一個(gè)微小的變化，記為R0+ΔR（0，t），這里定義玻璃/MoS2界面處的z=0。另一方面，GHz 聲波波包在傳播時(shí)，會(huì)對(duì)介質(zhì)施加瞬態(tài)應(yīng)力，將使介質(zhì)的折射率發(fā)生微小的變化，等效形成一個(gè)以聲速傳播的折射率突變界面。飛秒激光探測(cè)脈沖傳播到該折射率突變界面上時(shí)，將發(fā)生反射，記為R1（z，t）。同理，在圖2（b）中，生物水凝膠中誘導(dǎo)出的GHz 聲波，將反射探測(cè)脈沖，記為R2（z，t）。上述探測(cè)激光反射信號(hào)相干疊加后，被光電探測(cè)器測(cè)量。由于R1和R2都是z的函數(shù)，而R0+ΔR（0，t）不依賴于z，光場(chǎng)疊加后產(chǎn)生的干涉項(xiàng)相位差取決于誘導(dǎo)出聲波的時(shí)空傳輸過(guò)程，聲波的傳輸和損耗將產(chǎn)生一個(gè)超快阻尼振蕩式時(shí)域信號(hào)，也稱之為布里淵振蕩。簡(jiǎn)言之，通過(guò)測(cè)量反射激光功率的微小變化，將同時(shí)測(cè)得MoS2載流子能量馳豫、呼吸模振蕩和GHz 聲波的時(shí)空傳播信號(hào)。

有趣而關(guān)鍵的是，MoS2載流子能量馳豫信號(hào)通常是指數(shù)式衰減，而MoS2呼吸模振蕩和GHz 聲波都是阻尼振蕩式。因此，可以通過(guò)指數(shù)衰減函數(shù)擬合，把MoS2呼吸模振蕩和GHz 聲波布里淵振蕩信號(hào)從時(shí)間上分離出來(lái)。MoS2呼吸模振蕩的共振頻率和GHz 聲波布里淵振蕩的共振頻率，和界面上兩種不同介質(zhì)的本征力學(xué)特性密切關(guān)聯(lián)，在數(shù)值上通常不相等。進(jìn)而，采用傅里葉變換等頻譜分析手段，可對(duì)MoS2呼吸模振蕩與聲波傳輸介質(zhì)布里淵振蕩實(shí)現(xiàn)頻率分辨。通過(guò)該布里淵振蕩頻率與介質(zhì)聲速的定量關(guān)系，即可獲得界面上介質(zhì)的聲速、楊氏模量等一系列力學(xué)參數(shù)。

基于上述理論和光學(xué)測(cè)量模型，本文開(kāi)展了一系列實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中所使用的層狀MoS2晶體購(gòu)買自合肥科晶材料技術(shù)有限公司。MoS2薄膜樣品以K9 光學(xué)玻璃為襯底，通過(guò)機(jī)械剝離法制備，其尺寸大多約為80 μm×100 μm。為了實(shí)現(xiàn)圖2（b）中對(duì)GHz 聲波2 的測(cè)量，探測(cè)激光的穿透深度需要大于MoS2薄膜的厚度。因此，需要對(duì)制備的MoS2樣品進(jìn)行了微區(qū)光學(xué)吸收譜表征。圖3（a）、（e）展示了兩個(gè)有代表性MoS2薄層樣品的對(duì)比測(cè)量結(jié)果（紅色曲線），分別記為S1、S2。從光學(xué)顯微照片的襯比度上看，這兩個(gè)樣品在可見(jiàn)光波段不透明，其厚度均大于10 nm。從微區(qū)吸收光譜上看，S1 和S2 在660 nm 處測(cè)得的絕對(duì)吸光度分別約為82 %和78 %。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道［21］，MoS2在660 nm 處的光學(xué)吸收系數(shù)范圍處于105～106cm-1，可以根據(jù)朗伯比爾定律估算出S1 和S2 樣品中對(duì)應(yīng)二硫化鉬的厚度，分別約為17～170 nm 和15～150 nm。對(duì)于400 nm 的飛秒泵浦激光，兩個(gè)樣品的光學(xué)吸收率都大于90 %，絕大部分的泵浦光將被吸收，保證了MoS2晶格的高效光學(xué)激發(fā)。S1 和S2 對(duì)800 nm 飛秒探測(cè)激光的光學(xué)吸收率分別約為60 %和45 %，因此S2 樣品將更有利于實(shí)現(xiàn)生物水凝膠中聲波的測(cè)量（如圖2（b））。

采用飛秒激光泵浦探測(cè)，對(duì)比測(cè)量了這兩個(gè)樣品的時(shí)間分辨光譜信號(hào)（藍(lán)色曲線），如圖3（b）、（f）。為了實(shí)現(xiàn)阻尼振蕩信號(hào)的提取，通過(guò)雙指數(shù)衰減函數(shù)擬合出了光生載流子能量弛豫信號(hào)（黑色曲線），擬合后的殘差分別如圖3（c）、（g）（藍(lán)色曲線），可見(jiàn)S2 樣品的阻尼振蕩信號(hào)具有更長(zhǎng)的壽命和信噪比。進(jìn)一步，通過(guò)快速傅里葉變換，得到阻尼振蕩信號(hào)的頻譜，如圖3（d）、（h）（綠色曲線）。通過(guò)定量分析可以看出，這兩個(gè)樣品的頻譜中均包含兩個(gè)中心頻率不等的共振峰，且其低頻峰中心頻率相等（均約為（22.5±0.1）GHz），高頻峰中心頻率不相等（S1 和S2 樣品分別為（35.0±0.1）GHz 和（30.0±0.1）GHz）。基于兩個(gè)樣品均在同樣的K9 光學(xué)玻璃襯底上但厚度（層數(shù)）不同的事實(shí)，可以初步判斷：低頻峰來(lái)源于K9 光學(xué)玻璃襯底中GHz 聲波時(shí)空傳輸過(guò)程所產(chǎn)生的布里淵振蕩，而高頻峰來(lái)源于兩個(gè)不同厚度MoS2的呼吸模振蕩頻移效應(yīng)［8，17］。更進(jìn)一步，可以采用布里淵振蕩模型作為驗(yàn)證，當(dāng)探測(cè)激光垂直入射時(shí)有［22-23］

式中，fb為布里淵振蕩的頻率，n為介質(zhì)對(duì)飛秒探測(cè)激光的光學(xué)折射率，va為介質(zhì)中的聲速，λpr為飛秒探測(cè)激光的波長(zhǎng)。因此，在已知飛秒探測(cè)激光的波長(zhǎng)和介質(zhì)的光學(xué)折射率時(shí)，通過(guò)布里淵振蕩頻譜的中心頻率值，即可計(jì)算出介質(zhì)的聲速。對(duì)于K9 光學(xué)玻璃，所測(cè)出的布里淵振蕩頻率fb=（22.5±0.1）GHz，λpr= 800 nm波長(zhǎng)的光學(xué)折射率n= 1.510 8，故聲速為va=（5 957±26）m/s，與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果符合得很好［24］。

經(jīng)過(guò)從光學(xué)吸收譜到時(shí)間分辨光譜的對(duì)比研究，可以看出樣品S2 不僅具有更長(zhǎng)的阻尼振蕩壽命，而且在800 nm 波長(zhǎng)處具有更低的光學(xué)吸收率，有利于實(shí)現(xiàn)圖2（b）中提出的生物水凝膠高頻聲波全光產(chǎn)生與探測(cè)。因而，S2 被用于生物水凝膠的界面構(gòu)建和后續(xù)超快光譜測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)中所使用生物水凝膠的化學(xué)組分是10 % PEGDA 水溶液，制備流程如下：向860 μL 純水中，加入100 μL 聚（乙二醇）二丙烯酸酯（PEGDA，平均分子量為700），40 μL 2-羥基-2-甲基-1-［4-（2-羥基乙氧基）苯基］-1-丙酮（光引發(fā)劑2 959）的DMSO 溶液（濃度50%），配置為PEGDA 凝膠預(yù)聚液。將2 μL 預(yù)聚液滴加在氟化石英片上后，蓋上直徑為1 cm 的K9光學(xué)玻璃片，形成一個(gè)溶液微腔。使用365 nm 波長(zhǎng)、1 W/cm2光強(qiáng)的紫外燈照射樣品10 s，完成水凝膠的聚合。輕柔的打開(kāi)微腔，使PEGDA 水凝膠貼附在S2 樣品的K9 玻璃一側(cè)。最后，在50 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干3 h。圖4 對(duì)比了在涂覆生物水凝膠前后相同位置（如圖3（e）紅圈所示）的時(shí)域及頻域信號(hào)。覆蓋生物水凝膠后，如圖4（b）所示，時(shí)域振蕩信號(hào)的壽命變短且信噪比降低，同時(shí)頻域呼吸模振蕩峰半高寬變大，這可能是由于MoS2呼吸模振蕩能量通過(guò)界面耦合進(jìn)入了生物水凝膠，從而增加了一個(gè)能量耗散通道，導(dǎo)致體系損耗增大。更為重要的是，在圖4（d）的頻譜中，觀測(cè)到一個(gè)中心頻率約為9.8 GHz 的布里淵振蕩峰（黑色箭頭），這是MoS2呼吸模振蕩向生物水凝膠中輻射的GHz 聲波所造成的。對(duì)比圖4（c）和（d），可以看出覆蓋生物水凝膠前后，MoS2呼吸模振蕩峰均位于約30.0 GHz。值得指出的是，在圖4（d）中，覆蓋生物水凝膠后，K9光學(xué)玻璃中聲波的低頻布里淵振蕩峰幾乎無(wú)法分辨，這可能是MoS2晶格呼吸模振蕩的頻譜展寬效應(yīng)覆蓋了光學(xué)玻璃的布里淵振蕩信號(hào)。

基于上述測(cè)量與分析，采用式（1），根據(jù)在生物水凝膠中測(cè)得的布里淵振蕩頻率fb=（9.8± 0.1）GHz，同時(shí)PEGDA 水凝膠的典型光學(xué)折射率取值n= 1.469［25］，可計(jì)算得出所測(cè)位置生物水凝膠的聲速約為va=（2 668± 28）m/s。進(jìn)一步，根據(jù)聲學(xué)波動(dòng)方程，介質(zhì)中的聲速與介質(zhì)的楊氏模量及密度具有如下關(guān)系

式中，Y為介質(zhì)的楊氏模量，ρ為介質(zhì)的密度。進(jìn)而，可以根據(jù)測(cè)得的聲速和PEGDA 的密度ρ≈1.1×103kg m-3，計(jì)算獲得其楊氏模量Y≈7.83 GPa 這一重要生物力學(xué)參數(shù)。

最后，為了探討生物水凝膠附著后二維界面力學(xué)特性的空間依賴，選取了五個(gè)位置進(jìn)行了時(shí)間分辨測(cè)量，如圖5（a）。類似地，通過(guò)光生載流子擬合、阻尼振蕩信號(hào)時(shí)域分離、快速傅里葉變換等時(shí)頻域信號(hào)處理，得到這五個(gè)空間位置對(duì)應(yīng)的聲學(xué)信號(hào)頻譜，如圖5（b）。為了提升頻譜的分辨率，快速傅里葉變換前還需要對(duì)時(shí)域阻尼振蕩信號(hào)進(jìn)行時(shí)域補(bǔ)零處理。在這些位置，均可以觀測(cè)到頻率低于10 GHz，由生物水凝膠中高頻聲波時(shí)空傳輸導(dǎo)致的布里淵振蕩信號(hào)。利用式（1）和（2），并帶入前文已述的實(shí)驗(yàn)及材料本征物理參數(shù)，獲得了PEGDA 生物水凝膠在五個(gè)不同位置處的聲速和楊氏模量參數(shù)，結(jié)果如表1。

表1 生物水凝膠界面不同位置處測(cè)得的聲速和楊氏模量Table 1 Acoustic velocity and Young's modulus of hydrogels measured at various positions

根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)測(cè)量得到的生物水凝膠聲速和楊氏模量展現(xiàn)出明顯的空間依賴性。其中，聲速在從2 097 m/s 到2 750 m/s 的范圍，相應(yīng)的楊氏模量在4.84 ～8.32 GPa 之間，平均值為6.17 GPa。在前期的工作中，采用納米壓痕技術(shù)，YE Y 等測(cè)量了PEGDA 均勻膜的楊氏模量參數(shù)約為5.5 GPa 左右［26］，和本文中所采用非侵入、全光方法獲得的結(jié)果符合得較為理想。這里需要指出的是：一方面，這種界面力學(xué)參數(shù)的空間不均一性，可能源于紫外光固化過(guò)程中PEGDA 分子鏈輕微溶脹所導(dǎo)致的殘余應(yīng)力空間分布。另一方面，本實(shí)驗(yàn)中，聚焦后的飛秒激光光斑大小約為2 μm，在這種空間分辨率下的光學(xué)激發(fā)與探測(cè)，獲得的是PEGDA 水凝膠結(jié)構(gòu)在微米尺度下的力學(xué)參數(shù)信息。同時(shí)，考慮到PEGDA 水凝膠的鏈?zhǔn)蕉嗫捉Y(jié)構(gòu)，在微米尺度范圍內(nèi)存在的取向隨機(jī)性，實(shí)驗(yàn)所測(cè)的模量等參數(shù)也可能會(huì)受到影響。基于上述分析，如果將本文提出的測(cè)量方法進(jìn)一步拓展為成像技術(shù)，有望獲取生物表界面力學(xué)耦合特性的精準(zhǔn)時(shí)空分辨信息。

3 結(jié)論

本文通過(guò)基于二維層狀半導(dǎo)體的生物異質(zhì)界面構(gòu)建，利用飛秒激光泵浦探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了GHz 頻率聲波的全光誘導(dǎo)與探測(cè)，經(jīng)理論模型構(gòu)建和定量解析，成功獲取了二維表界面上PEGDA 生物水凝膠的聲速和楊氏模量等力學(xué)參數(shù)，時(shí)間分辨率約為100 fs。測(cè)量結(jié)果表明，二維層狀半導(dǎo)體作為一種產(chǎn)生超高頻聲波的優(yōu)良光聲換能器，通過(guò)與飛秒激光超快光譜的深度協(xié)同，可對(duì)生物表界面能量耦合、物質(zhì)傳遞等重要過(guò)程實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨解析。進(jìn)一步，通過(guò)與界面工程結(jié)合，本文所闡述的測(cè)量表界面力學(xué)參數(shù)的超快光譜技術(shù)，有望拓展到其它二維功能表界面力學(xué)誘導(dǎo)過(guò)程、光催化過(guò)程的解析與成像等領(lǐng)域。