超靈敏量子生物傳感器能“潛入”細胞讀信號

科技日報北京5月26日電 （記者張佳欣）將超靈敏的量子傳感器置入活細胞中，用於追蹤細胞變化、早期發現癌症和其他疾病，是當前最前沿的研究方向之一。最近，美國芝加哥大學普利茲克分子工程學院研究團隊開發出一種全新的金剛石量子生物傳感器，不僅能順利“潛入”細胞內部，還比以往更穩定、更靈敏。相關論文發表在最新一期《美國國家科學院院刊》上。

許多最優秀、最強大的量子傳感器通常由金剛石製造而成。位於金剛石納米晶體中的量子比特即使在足夠小、能被細胞“吞噬”進入其體內的粒子中，仍可保持量子相干性，也就是信號的穩定和可讀性。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，這一問題長期影響着該領域的科研進展。

此次，團隊受到量子點發光二極管（QLED）電視的啓發。這種電視使用量子點技術來呈現豐富的色彩。但在早期，這些顏色雖然亮麗，卻不穩定，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，並增強發光效果。團隊設想，如果金剛石量子傳感器的問題也來自表面狀態，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免疫反應，團隊設計了一種硅氧烷外殼。這種材料做成的塗層顆粒不容易被免疫系統識別為“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，電荷穩定性也大大增強。外殼不僅起到了保護作用，更引發了電子從金剛石轉移到殼層的過程。這種“去電子化”狀態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、更穩定地讀取活細胞信號的方式。

這項成果融合了細胞生物學、量子科學、材料科學等學科研究，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應用於生物醫學打開了新大門。