芝加哥大學(xué)化學(xué)教授Greg Engel：量子傳感將會(huì)對(duì)生物學(xué)研究產(chǎn)生變革性作用

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。”芝加哥大學(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(chǎng)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(lái)探測(cè)單個(gè)離子。芝加哥大學(xué)化學(xué)教授Greg Engel表示，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(shì)

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(shì)。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(guò)程目前非常難以甚至無(wú)法測(cè)量。量子生物傳感提供了一種以前所未有的靈敏度來(lái)研究這些生物事件的方法。

“隨著量子測(cè)量可能帶來(lái)的靈敏度與生物學(xué)在這些尺度上理解事物的絕對(duì)需求之間的融合：這簡(jiǎn)直是天作之合，”Greg Engel表示，他還是耗資2500萬(wàn)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(guò)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(guò)程，如蛋白質(zhì)折疊和粒子通過(guò)細(xì)胞膜離子通道的運(yùn)動(dòng)，以及通過(guò)神經(jīng)元的電信號(hào)傳輸。

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

開(kāi)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(cè)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(guò)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(lái)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(lái)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(duì)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(jí)過(guò)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。”

Squires的研究實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)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(shì)作為“墻”來(lái)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(jí)生物物理工具的“武器庫(kù)”能夠提供新的信息。

量子傳感器可以測(cè)量神經(jīng)元突觸中的電場(chǎng)，跟蹤穿過(guò)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(guò)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(duì)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(cè)量分辨率的極限，”Maurer表示，“通過(guò)在生理環(huán)境中探測(cè)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。”

量子傳感受益于全球不斷增長(zhǎng)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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