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振动强耦合的量子生物调控机制与应用前沿
Vibrational strong coupling：frontiers in quantum biological regulatory mechanisms and applications
投稿时间：2025-04-25  
DOI：10.3969/j.issn.1005-5630.202504250075
中文关键词:  振动强耦合  法布里-珀罗腔  酶催化  拉比分裂  激子态
英文关键词:vibrational strong coupling  Fabry–Pérot cavity  enzymatic catalysis  Rabi splitting  polariton state  
基金项目:国家自然科学基金（32271298）
作者单位E-mail
袁鸣 赤峰学院 化学与生命科学学院,内蒙古 赤峰 024000  
王晓伟 山东国源人类遗传资源库管理有限公司,山东 济南 250101  
路薇薇 上海交通大学医学院附属新华医院 全科医学科,上海 200093 luweiwei@xinhuamed.com.cn 
赵欣敏 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093 xmzhao@usst.edu.cn 
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中文摘要:
      振动强耦合（vibrational strong coupling，VSC）涉及分子振动与电磁波或光学腔体之间的耦合。这种耦合会导致新态的形成，即所谓的极化激元，它们具有独特的性质，可用于各种应用。在过去十年中，利用 VSC 来控制化学反应取得了显著进展。简单来说，将反应置于光学腔体中，使腔体能级与分子的振动能级之间形成强耦合，进而控制反应动力学。然而，光学腔体在无外部激发（即黑暗）状态下的作用机制对于生物反应的影响仍然是一个谜。在生物化学领域，VSC 可用于研究蛋白质和核酸等生物分子在反应过程中的振动特性，从能量方面为生物功能提供见解，这在药物开发和其他生物医学应用方面具有潜在意义。本文概述了 VSC的基本原理及其在生物化学领域的潜在应用，包括近期的进展和未来的发展方向，重点在于实验上的困难以及在控制生物反应中实现振动强耦合的可能性。
英文摘要:
      Vibrational strong coupling (VSC) involves the coupling of molecular vibrations with electromagnetic radiation in the mid-infrared or terahertz region. This coupling leads to the formation of new states, known as polaritons, which have unique properties that can be exploited for various applications. Over the past decade, significant progress has been made in manipulating chemical reactions using VSC. Placing biological reactions in an optical cavity allows for the hybridization of cavity modes with the energy of biological molecules, which can control biological reactions. However, the effect of the so-called "dark states", which refer to the absence of external energy interference, on biological reactions is still a mystery. In biochemistry, VSC can be used to study the vibrational properties of biomolecules such as proteins and nucleic acids, which can provide insights into their structures and functions. Additionally, VSC can be used to manipulate and control the chemical reactions of these biomolecules, which has potential implications for drug development and other biomedical applications. This article provides an overview of VSC and its potential applications in biochemistry, including recent advances and future directions, with a focus on the experimental difficulties and potential for development of strong vibrational coupling in controlling biological reactions.
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