新型生物传感器破解古老量子谜题

许多性能最佳、最强大的量子传感器可以在微小的钻石碎片中制造而成，但这带来了一个单独的问题：很难将钻石放入细胞内并使其工作。

「所有那些你真正需要在分子水平上探测的过程，你无法使用很大的东西。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，但他们发现其性能比我们预期的要差。显著地差。」

兹维是一篇发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）论文的第一作者，该论文旨在解决这个问题。兹维与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，他们揭示了量子材料领域一个长期存在的谜团。

通过用一种特别设计的壳层包裹金刚石纳米粒子——这一技术灵感来源于QLED电视——研究团队不仅创造出了一种适用于活体细胞的理想量子生物传感器，还揭示了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，而现在他们又找到了一种方法，能在多种不同环境中进一步增强其性能，」兹维的主要研究者、论文合著者、芝加哥大学普利兹克分子工程学院教授亚伦·埃瑟-卡恩说。

充满钻石的细胞

承载于金刚石纳米晶体中的量子比特，即使在粒子小到足以被活细胞「摄取」的情况下（一个恰当的比喻是细胞将其吞下并咀嚼而不吐出），也能保持量子相干性。但金刚石粒子越小，量子信号越弱。

「有一段时间人们很兴奋，因为这类量子传感器可以带入活细胞，原则上可用作传感器，」论文合著者、芝加哥大学普利兹克分子工程学院助理教授彼得·毛雷尔说。「然而，虽然这些量子传感器在大块金刚石内部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、量子特性实际上显著降低了。」

在这里，兹维从一个不太可能的来源——量子点发光二极管（QLED）电视——中获得了灵感。QLED电视使用色彩鲜艳的荧光量子点以丰富饱满的色彩进行显示。在早期，其色彩明亮但不稳定，容易突然熄灭。

「研究人员发现，用量心设计的壳层包裹量子点可以抑制有害的表面效应并提高其发射率，」兹维说。「而如今，你可以将先前不稳定的量子点用作电视机的一部分。」

兹维与论文合著者、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德米特里·塔拉平教授合作，他推论：既然两组问题——量子点的荧光和纳米金刚石信号的减弱——都源于表面状态，那么类似的方法可能有效。

但鉴于传感器旨在进入活体内部，并非所有壳层都适用。作为免疫工程专家，埃瑟-卡恩帮助开发了一种硅氧烷（siloxane）壳层，它既能增强量子特性，又不会向免疫系统发出异常警报。

「大多数这类材料的表面特性是粘稠且无序的，这使得免疫细胞能识别出它不该存在于那里。对免疫细胞来说，它们看起来像是异物，」埃瑟-卡恩说。「硅氧烷涂层的东西看起来像一大团光滑的水滴。因此身体更乐于吞噬并咀嚼那样的粒子。」

此前通过表面工程改善金刚石纳米晶体量子特性的努力取得的成功有限。因此，团队原本只预期获得适度的提升。然而，他们观察到自旋相干性提高了四倍之多。

这一提升——以及荧光强度1.8倍的增加和电荷稳定性显著独立的提升——既令人困惑又引人入胜。

越来越好

「我晚上试图入睡，却一直躺着思考‘那里到底发生了什么？自旋相干性在变好——但为什么？」论文第二作者、爱荷华大学助理教授丹尼斯·坎迪多说。『我会想‘如果我们做这个实验会怎样？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。」

这支跨学科团队——生物工程出身转而研究量子科学的兹维、免疫工程师埃瑟-卡恩、量子工程师毛雷尔和塔拉平——邀请了坎迪多和爱荷华大学物理与天文系的迈克尔·弗拉特教授加入，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，结果证明对这些新的量子系统也非常重要，」弗拉特说。

他们发现，添加二氧化硅壳层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。耗竭那些通常会降低量子相干性的原子和分子的电子，创造了一种更灵敏、更稳定的方式来读取活细胞的信号。

这使得团队能够识别出那些降低相干性并使量子器件效率下降的特定表面位点——解开了量子传感领域的一个长期谜团，并为工程创新和基础研究打开了新的大门。

「最终影响不仅是更好的传感器，更是为工程化量子纳米材料中的相干性和电荷稳定性提供了一个新的定量框架，」兹维说。