將超靈敏的量子傳感器置入活細(xì)胞中，用于追蹤細(xì)胞變化、早期發(fā)現(xiàn)癌癥和其他疾病，是當(dāng)前最前沿的研究方向之一。最近，美國芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院研究團隊開發(fā)出一種全新的金剛石量子生物傳感器，不僅能順利“潛入”細(xì)胞內(nèi)部，還比以往更穩(wěn)定、更靈敏。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期《美國國家科學(xué)院院刊》上。
許多最優(yōu)秀、最強大的量子傳感器通常由金剛石制造而成。位于金剛石納米晶體中的量子比特即使在足夠小、能被細(xì)胞“吞噬”進入其體內(nèi)的粒子中，仍可保持量子相干性，也就是信號的穩(wěn)定和可讀性。然而，金剛石顆粒越小，量子信號就越弱，傳感器的性能就越差，這一問題長期影響著該領(lǐng)域的科研進展。
此次，團隊受到量子點發(fā)光二極管（QLED）電視的啟發(fā)。這種電視使用量子點技術(shù)來呈現(xiàn)豐富的色彩。但在早期，這些顏色雖然亮麗，卻不穩(wěn)定，容易突然熄滅。但給量子點加上一層特殊外殼，就能抑制有害的表面效應(yīng)，并增強發(fā)光效果。團隊設(shè)想，如果金剛石量子傳感器的問題也來自表面狀態(tài)，那是不是也可以通過“包殼”來改善？
為了讓這種傳感器能夠進入人體而不引發(fā)免疫反應(yīng)，團隊設(shè)計了一種硅氧烷外殼。這種材料做成的涂層顆粒不容易被免疫系統(tǒng)識別為“入侵者”，因此身體會更容易吞噬和消化這種顆粒。
此次結(jié)果出人意料：傳感器自旋相干性提高了多達4倍，熒光強度增加了1.8倍，電荷穩(wěn)定性也大大增強。外殼不僅起到了保護作用，更引發(fā)了電子從金剛石轉(zhuǎn)移到殼層的過程。這種“去電子化”狀態(tài)抑制了干擾量子信號的因素，從而增強了傳感器性能，造就了一種更靈敏、更穩(wěn)定地讀取活細(xì)胞信號的方式。
這項成果融合了細(xì)胞生物學(xué)、量子科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科研究，解決了納米尺度下金剛石量子傳感器性能驟降的難題，為未來將量子傳感技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)打開了新大門。
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