生物醫學應用的量子傳感器概述

量子傳感器正在從實驗室走向現實世界。量子傳感器的原子長度尺度及其相干特性實現了前所未有的空間分辨率和靈敏度。而生物醫學應用能夠從這些量子技術中受益，但通常難以評估量子技術對其的潛在影響。量子傳感在分子水平、細胞水平和生物體水平的潛在應用概述如圖1所示。

圖1 量子傳感器將對不同尺度的生物醫學研究產生影響

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國哈佛大學（Harvard University）、馬里蘭大學帕克分校（University of Maryland, College Park）與德國布倫瑞克工業大學（Technische Universit?t Braunschweig）的聯合研究團隊在Nature Reviews Physics發表了以“Quantum sensors for biomedical applications”為主題的論文。該論文通訊作者為哈佛大學Hongkun Park，第一作者為哈佛大學Nabeel Aslam。

這篇綜述闡述了量子傳感存在的問題，分析了量子傳感的應用現狀，并討論了量子傳感走向商業化的途徑。該文章重點介紹了兩種前途光明的量子傳感平臺：光泵原子磁強計（OPM）和金剛石氮空位（NV）中心。另外，該綜述文章剖析了從腦成像到單細胞光譜學的四個案例研究，突出了生物醫學應用的廣泛適用性。

量子傳感器及量子傳感平臺

量子傳感器是利用量子相干、干涉和糾纏來測量目標物理量的單個系統或系統集合。量子傳感器已經在工作原理迥異的多種系統中實現。這種多樣性使其各自適用于不同應用領域，并允許它們在使用中優劣互補。量子傳感器有三種突出的應用平臺：超導電路（即為超導量子干涉器件SQUID）、原子系綜（Atomic ensembles，即為OPM）和固態自旋（Solid-state spins，即為金剛石NV中心）。

文中重點介紹了“OPM”和“金剛石NV中心”這兩種量子傳感平臺。OPM和NV中心可以優勢和劣勢互補。OPM的高靈敏度使其適用于微弱磁場的宏觀檢測，如大腦和心臟產生的磁場。相反，NV中心的一項主要優勢是傳感器到樣本的距離短，這樣就能夠實現對微弱微觀信號的高空間分辨率和高靈敏度探測。此外，NV中心是一種多功能傳感器（可檢測交流和直流磁場、溫度等），可在各種條件下工作。這種多功能性使NV中心對細胞水平的光譜學和診斷學應用具有吸引力。

圖2 OPM和NV磁強計的工作原理

四大量子傳感應用案例

1. 基于OPM的腦磁圖（MEG）

對人體生物磁性的監測和成像對于診斷和治療來說大有用處。這些人體生物磁場可由MEG檢測，檢測結果可用于如癲癇、癡呆等腦損傷和腦疾病的研究。盡管MEG在商業和臨床上均得到了廣泛應用，但其苛刻的操作條件仍然存在嚴重的局限性。量子傳感技術的出現為解決這些限制開辟了新途徑。

OPM無需低溫工作條件，因此顯著簡化了傳感器架構，同時縮短了傳感器到樣本的距離。OPM的另一項優勢是能夠探測矢量磁場。此外，OPM微型化的研究進展已使OPM-MEG原型得以實現（如圖3a），為其實際應用鋪平了道路。

圖3 基于OPM的MEG

2. 細胞和組織的基于NV的磁傳感和成像

單個細胞和組織也可以產生磁場。磁性標記能夠以磁性納米顆粒（MNP）或自旋標記的形式引入生命系統。但這些磁場均需要具有高靈敏度和高空間分辨率的生物兼容磁強計來測量。進行此類研究的常用方法有兩種：一種方法是使用毫米級金剛石芯片，該芯片帶有NV中心組成的微米級薄表面層；另一種方法是使用含有NV中心的納米金剛石，可將其注射或攝取到細胞/組織中并功能化，例如靶向蛋白質。

標記、探測和靶向單個細胞對于如區分癌細胞與健康細胞等診斷應用來說很有幫助。MNP構成了磁免疫分析技術的基礎，磁免疫分析技術是一種新興的輔助診斷方式，與熒光標記相比更具潛在優勢：長期穩定性、可忽略的背景信號以及定量檢測。金剛石NV中心目前已用于各種生物樣本中MNP的定量檢測和寬視場成像，具有微米級分辨率和毫米級視場。

圖4 生物樣本的基于NV中心的磁傳感

3. 基于NV中心的納米級和微米級核磁共振（NMR）

傳統NMR的主要限制是靈敏度低，通常需要毫米級樣本。將NMR波譜擴展到微米級和納米級樣本有望實現令人興奮的應用。

基于NV的磁強計的出現，使得在環境條件下對納米級和微米級樣本進行NMR波譜分析成為可能。如圖5a所示，可將樣本放置于金剛石NV中心附近，探測距離在納米到微米范圍，取決于具體應用。在納米尺度，基于NV的NMR受益于樣本自旋的統計極化；而在微米尺度上，由于熱極化占主導地位，通常需要通過強磁場和超極化的方法來進一步增強。

NV中心的一個特點是其磁場傳感帶寬大，頻率范圍從直流（0 Hz）到千兆赫（GHz）。因此，利用相同實驗裝置就能檢測多種原子核自旋乃至電子自旋，而無需像傳統NMR和電子順磁共振波譜學那樣必須改變射頻設備。在對生物樣本成像時，基于NV的NMR可充分發揮自身潛力，因為它可以揭示納米尺度到微米尺度的化學成分變化（如圖5d）。

圖5 基于NV中心的NMR

4. 基于NV的量子溫度測量

利用納米金剛石的NV進行活體納米級溫度測量，能夠對細胞和小型生物中各種與溫度相關的生物現象進行局部探測，包括外部熱梯度和內部熱產生的影響，也可為控制細胞周期和有機體發育提供工具。

與磁場傳感一樣，基于NV的量子溫度測量依賴于源自金剛石熱膨脹的微波躍遷頻率的溫度相關變化（如圖6a）。為了優化靈敏度，同時最小化對其他影響的敏感性，通常使用四點測量方案（如圖6b）。納米金剛石量子傳感器非常適合用于細胞和小型生物的高空間分辨率溫度傳感。與傳統的溫度探針相比，納米金剛石量子傳感器具有納米級、穩定性和生物相容性等特點。靈敏的納米級溫度測量在生命科學應用領域開辟了許多可能性，特別是與紅外激光照射引起的局部外源加熱相結合的應用（如圖6c）。

圖6 基于納米金剛石NV中心的溫度測量

總結

在過去十年中，量子傳感器領域取得了巨大的進步，已從早期的原理驗證實驗逐步發展到生物醫學科學的實際應用。盡管量子傳感器前途光明，但仍然存在諸多挑戰，這些問題的探索與解決可能需要多學術領域和行業之間的相互合作。一方面，當前量子傳感器的靈敏度可能需要通過新的傳感途徑與材料開發相結合來進一步提升。另一方面，這些技術需要通過進一步集成化和微型化，才能夠在現實條件下實現可擴展性和易操作性，這將是量子傳感器技術廣泛應用和成功商業化的關鍵。伴隨這些技術改進，量子傳感器有望成為生物醫學系統表征和診斷的關鍵工具。

審核編輯：劉清