芝加哥大学化学教授Greg Engel：量子传感将会对生物学研究产生变革作用

北京时间10月25日消息（余予）“很明显，量子传感可能会在生物学研究的下一阶段产生变革性作用。”芝加哥大学化学教授Greg Engel表示。

核磁共振是一种物理现象，于1938年首次被描述，当原子核置于磁场中时，它会吸收并重新发射能量，但直到1969年，这一基础物理学发现才得到其最广为人知的应用：磁共振成像 (MRI)，这是医学和生物学研究中的一项重要诊断工具。

在21世纪，研究人员可以制造足够精确的量子设备来探测单个离子——芝加哥大学化学教授格Greg Engel不想再等待30 年才能找到它们最有用的应用。

叠加的优势

量子技术利用了只能在最小尺度上才能达到的科学现象，例如叠加的概念：系统存在于可能状态的组合中，而不是单一状态中。量子系统的这一独特特性非常脆弱——当处于叠加态的量子系统以任何方式与其环境相互作用时，它的叠加态就会“崩溃”，以一种状态而不是多种状态存在。

这种令人难以置信的脆弱性使量子通信和计算技术难以实现。让像原子这样微笑的物体保持足够的隔离、以叠加存在需要大量的能量、资金和物流。

然而，量子传感利用了这种脆弱性并使其成为一种优势。如果一个系统的叠加可以被单个分子、单个原子甚至单个光子干扰，那么这一系统就可以变成这些单个粒子的传感器。

生物学中的许多重要现象都源于单个原子，例如单个离子的运动或蛋白质电荷的微小变化。然而，这些过程目前非常难以甚至无法测量。量子生物传感提供了一种以前所未有的灵敏度来研究这些生物事件的方法。

“随着量子测量可能带来的灵敏度与生物学在这些尺度上理解事物的绝对需求之间的融合：这简直是天作之合，”Greg Engel表示，他还是耗资2500万美元成立的生物物理学和生物工程的量子传感量子跃迁挑战研究所 (QuBBE)项目的负责人。

量子生物传感的潜在应用范围通过细胞膜和单个细胞的细胞质跟踪药物，以及在手术期间精确划分肿瘤边缘。量子传感器甚至可能能够记录关键的生物过程，如蛋白质折叠和粒子通过细胞膜离子通道的运动，以及通过神经元的电信号传输。

“量子传感使您可以测量传统上难以测量的量，例如温度、压力或电磁场，”芝加哥大学分子工程教授Peter Maurer说道。Maurer的研究实验室可以使用量子传感器来跟踪单个细胞的温度变化，这对于了解细胞如何应对不同类型的压力非常重要。

开发用于操纵传感器的新工具

为了得到研究人员想要的测量结果，量子生物传感器必须被放置在发生有趣生物事件的确切位置。但量子技术的脆弱性往往需要极端可控的环境，比如接近零温度的真空室——在这种环境中，生物过程只能被视为冻结的“快照”。为了充分发挥量子生物传感器的潜力，研究人员正在寻找新方法来在较温暖、控制较少的环境中操纵量子传感器，以便他们可以看到事件的“电影”，而不是快照。

控制单个分子或粒子的常用工具是光镊，它使用高度聚焦的激光束来操纵目标。 “但它们不能捕获任何小于一微米的物体，除非你在非常低的温度下，”芝加哥大学分子工程教授Allison Squires表示， “这对生物学并不适用。生物学发生在室温下，因此这些纳米级过程发生在潮湿和凌乱的环境中。要查看这些流程的运行情况，我们必须能够在这种情况下工作。”

Squires的研究实验室正在开发用于操纵和控制生物系统中的量子传感器的工具，包括一种使用电势作为“墙”来保持量子传感器漂浮在一个地方而不接触它的技术。Squires希望这种纳米级生物物理工具的“武器库”能够提供新的信息。

量子传感器可以测量神经元突触中的电场，跟踪穿过细胞膜的单个离子，或记录细胞内较小细胞器之间的蛋白质转移：所有这些过程都很难直接观察。量子工程和生物学这两个领域的交叉技术，有可能在尽可能小的层面上彻底改变我们对医学科学的理解。

“我认为量子生物传感正在推动生命科学领域测量分辨率的极限，”Maurer表示，“通过在生理环境中探测非常敏感的系统，这项技术可以生产出宝贵的工具。”

量子传感受益于全球不断增长的研究和应用生态系统，并将被纳入即将于11月4日举行的芝加哥量子峰会的讨论。

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