新型生物传感器破解古老量子谜团

许多最优秀、最强大的量子传感器可以在微小的金刚石中制造，但这又导致了另一个问题：将金刚石放入细胞内并使其工作非常困难。

"所有那些你真正需要在分子水平上探测的过程，都无法使用大型设备。你必须进入细胞内部。为此，我们需要纳米粒子，"芝加哥大学普利兹克分子工程学院博士候选人乌里·兹维（Uri Zvi）说。"人们以前曾使用金刚石纳米晶体作为生物传感器，但他们发现其性能低于我们的预期。明显更差。"

兹维是一篇发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上旨在解决该问题的论文的第一作者。他与来自芝加哥大学普利兹克分子工程学院和爱荷华大学的研究人员合作，融合了细胞生物学、量子计算、传统半导体和高清电视领域的见解，创造出一种革命性的新型量子生物传感器。在此过程中，他们揭示了一个长期存在于量子材料领域的谜团。

通过用一种特殊设计的壳包裹金刚石纳米颗粒——这项技术的灵感来自QLED（量子点发光二极管）电视——研究团队不仅创造出了一种适用于活细胞的理想量子生物传感器，还获得了关于如何通过修饰材料表面来增强其量子特性的新见解。

"它已经是地球上最灵敏的东西之一，现在他们又找到了一种方法，可以在多种不同环境中进一步增强其性能，"兹维的导师、该论文的合著者、芝加哥大学普利兹克分子工程学院亚伦·埃瑟-卡恩（Aaron Esser-Kahn）教授说道。

布满钻石的细胞

封装在金刚石纳米晶体中的量子比特（Qubit）即使在颗粒小到足以被活细胞"摄取"时——一个很好的比喻是细胞将其吞咽并咀嚼而非吐出——仍能保持量子相干性。但金刚石颗粒越小，量子信号就越弱。

"人们曾一度为之振奋，认为这些量子传感器可以被带入活细胞，并且在原理上可用作传感器，"该论文的合著者、芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授彼得·毛雷尔（Peter Maurer）说。"然而，尽管这些量子传感器在大型块状金刚石内具有非常好的量子特性，但当它们处于纳米金刚石中时，相干特性、量子特性实际上会显著降低。"

在这里，兹维从一个不太可能的来源——量子点LED（QLED）电视——中获得了灵感。QLED电视使用充满活力的荧光量子点来呈现丰富、饱满的色彩。在早期，这些颜色很鲜艳但不稳定，容易突然熄灭。

"研究人员发现，用精心设计的壳包裹量子点可以抑制有害的表面效应并增加其发射强度，"兹维说。"如今，你可以将先前不稳定的量子点用作电视的一部分。"

兹维与芝加哥大学普利兹克分子工程学院和化学系的量子点专家、该论文的合著者德米特里·塔拉平（Dmitri Talapin）教授合作，他推断既然两组问题——量子点的荧光和纳米金刚石信号减弱——都源于表面状态，那么类似的方法可能有效。

但由于传感器意在进入活体内部，并非所有的壳都适用。作为免疫工程专家，埃瑟-卡恩协助开发了一种硅-氧（硅氧烷）壳，它既能增强量子特性，又不会向免疫系统发出异常信号。

"大多数此类材料的表面特性具有粘性且无序，以至于免疫细胞能识别出它不应该存在。在免疫细胞看来，它们像是异物，"埃瑟-卡恩说。"硅氧烷涂层的东西看起来像一大团光滑的水团。因此，身体更乐意吞噬然后咀嚼这样的颗粒。"

先前通过表面工程改善金刚石纳米晶体量子特性的努力成效有限。因此，研究团队预期只会获得适度的改进。然而，他们观察到自旋相干性提升了高达四倍。

这种提升——以及1.8倍的荧光增强和电荷稳定性的显著独立提升——是一个既令人困惑又引人入胜的谜题。

越来越好

"我晚上试图入睡，却辗转反侧想着'那里发生了什么？自旋相干性在变好——但为什么？'"该论文的第二作者、爱荷华大学助理教授丹尼斯·坎迪多（Denis Candido）说。"我会想'如果我们做这个实验会怎样？如果我们做这个计算呢？'这非常非常令人兴奋，最终，我们找到了相干性改善的根本原因。"

这个跨学科团队——从生物工程师转型为量子科学家的兹维、免疫工程师埃瑟-卡恩、量子工程师毛雷尔和塔拉平——邀请坎迪多和爱荷华大学物理与天文学系教授迈克尔·弗拉特（Michael Flatté）加入，为研究提供部分理论框架。

"我对此真正感到兴奋的是，一些对半导体电子技术至关重要的旧思想，结果被证明对这些新的量子系统非常重要，"弗拉特说。

他们发现添加二氧化硅壳不仅仅保护了金刚石表面。它从根本上改变了内部的量子行为。材料界面驱动电子从金刚石转移到壳层中。耗尽通常会降低量子相干性的原子和分子中的电子，创造了一种更灵敏、更稳定的读取活细胞信号的方式。

这使得团队能够识别出降低相干性并使量子设备效率降低的特定表面位点——解决了量子传感领域长期存在的谜团，并为工程创新和基础研究打开了新的大门。

"最终影响不仅是一个更好的传感器，更是一个用于在量子纳米材料中工程化相干性和电荷稳定性的全新定量框架，"兹维说。