北京時(shí)間10月25日消息（余予）“很明顯，量子傳感可能會(huì)在生物學(xué)研究的下一階段產(chǎn)生變革性作用?！敝ゼ痈绱髮W(xué)化學(xué)教授Greg Engel表示。

核磁共振是一種物理現(xiàn)象，于1938年首次被描述，當(dāng)原子核置于磁場中時(shí)，它會(huì)吸收并重新發(fā)射能量，但直到1969年，這一基礎(chǔ)物理學(xué)發(fā)現(xiàn)才得到其最廣為人知的應(yīng)用：磁共振成像 (MRI)，這是醫(yī)學(xué)和生物學(xué)研究中的一項(xiàng)重要診斷工具。

在21世紀(jì)，研究人員可以制造足夠精確的量子設(shè)備來探測單個(gè)離子——芝加哥大學(xué)化學(xué)教授格Greg Engel不想再等待30 年才能找到它們最有用的應(yīng)用。

疊加的優(yōu)勢

量子技術(shù)利用了只能在最小尺度上才能達(dá)到的科學(xué)現(xiàn)象，例如疊加的概念：系統(tǒng)存在于可能狀態(tài)的組合中，而不是單一狀態(tài)中。量子系統(tǒng)的這一獨(dú)特特性非常脆弱——當(dāng)處于疊加態(tài)的量子系統(tǒng)以任何方式與其環(huán)境相互作用時(shí)，它的疊加態(tài)就會(huì)“崩潰”，以一種狀態(tài)而不是多種狀態(tài)存在。

這種令人難以置信的脆弱性使量子通信和計(jì)算技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)。讓像原子這樣微笑的物體保持足夠的隔離、以疊加存在需要大量的能量、資金和物流。

然而，量子傳感利用了這種脆弱性并使其成為一種優(yōu)勢。如果一個(gè)系統(tǒng)的疊加可以被單個(gè)分子、單個(gè)原子甚至單個(gè)光子干擾，那么這一系統(tǒng)就可以變成這些單個(gè)粒子的傳感器。

生物學(xué)中的許多重要現(xiàn)象都源于單個(gè)原子，例如單個(gè)離子的運(yùn)動(dòng)或蛋白質(zhì)電荷的微小變化。然而，這些過程目前非常難以甚至無法測量。量子生物傳感提供了一種以前所未有的靈敏度來研究這些生物事件的方法。

“隨著量子測量可能帶來的靈敏度與生物學(xué)在這些尺度上理解事物的絕對需求之間的融合：這簡直是天作之合，”Greg Engel表示，他還是耗資2500萬美元成立的生物物理學(xué)和生物工程的量子傳感量子躍遷挑戰(zhàn)研究所 (QuBBE)項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

量子生物傳感的潛在應(yīng)用范圍通過細(xì)胞膜和單個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)跟蹤藥物，以及在手術(shù)期間精確劃分腫瘤邊緣。量子傳感器甚至可能能夠記錄關(guān)鍵的生物過程，如蛋白質(zhì)折疊和粒子通過細(xì)胞膜離子通道的運(yùn)動(dòng)，以及通過神經(jīng)元的電信號傳輸。

“量子傳感使您可以測量傳統(tǒng)上難以測量的量，例如溫度、壓力或電磁場，”芝加哥大學(xué)分子工程教授Peter Maurer說道。Maurer的研究實(shí)驗(yàn)室可以使用量子傳感器來跟蹤單個(gè)細(xì)胞的溫度變化，這對于了解細(xì)胞如何應(yīng)對不同類型的壓力非常重要。

開發(fā)用于操縱傳感器的新工具

為了得到研究人員想要的測量結(jié)果，量子生物傳感器必須被放置在發(fā)生有趣生物事件的確切位置。但量子技術(shù)的脆弱性往往需要極端可控的環(huán)境，比如接近零溫度的真空室——在這種環(huán)境中，生物過程只能被視為凍結(jié)的“快照”。為了充分發(fā)揮量子生物傳感器的潛力，研究人員正在尋找新方法來在較溫暖、控制較少的環(huán)境中操縱量子傳感器，以便他們可以看到事件的“電影”，而不是快照。

控制單個(gè)分子或粒子的常用工具是光鑷，它使用高度聚焦的激光束來操縱目標(biāo)。 “但它們不能捕獲任何小于一微米的物體，除非你在非常低的溫度下，”芝加哥大學(xué)分子工程教授Allison Squires表示， “這對生物學(xué)并不適用。生物學(xué)發(fā)生在室溫下，因此這些納米級過程發(fā)生在潮濕和凌亂的環(huán)境中。要查看這些流程的運(yùn)行情況，我們必須能夠在這種情況下工作?！?/p>

Squires的研究實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)用于操縱和控制生物系統(tǒng)中的量子傳感器的工具，包括一種使用電勢作為“墻”來保持量子傳感器漂浮在一個(gè)地方而不接觸它的技術(shù)。Squires希望這種納米級生物物理工具的“武器庫”能夠提供新的信息。

量子傳感器可以測量神經(jīng)元突觸中的電場，跟蹤穿過細(xì)胞膜的單個(gè)離子，或記錄細(xì)胞內(nèi)較小細(xì)胞器之間的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移：所有這些過程都很難直接觀察。量子工程和生物學(xué)這兩個(gè)領(lǐng)域的交叉技術(shù)，有可能在盡可能小的層面上徹底改變我們對醫(yī)學(xué)科學(xué)的理解。

“我認(rèn)為量子生物傳感正在推動(dòng)生命科學(xué)領(lǐng)域測量分辨率的極限，”Maurer表示，“通過在生理環(huán)境中探測非常敏感的系統(tǒng)，這項(xiàng)技術(shù)可以生產(chǎn)出寶貴的工具?！?/p>

量子傳感受益于全球不斷增長的研究和應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)，并將被納入即將于11月4日舉行的芝加哥量子峰會(huì)的討論。

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