摘要：研究人员将细胞生物学、量子计算、老式半导体和高清电视的见解结合起来，创造了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中一个长期存在的谜团。
研究人员将细胞生物学、量子计算、老式半导体和高清电视的见解结合起来，创造了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中一个长期存在的谜团。
将超敏量子传感器放入活细胞中是追踪细胞生长和诊断早期疾病（甚至癌症）的一条有前途的途径。
许多最好、最强大的量子传感器可以用小块金刚石制造，但这会导致一个单独的问题：很难将金刚石插入细胞并使其工作。
“你真正需要在分子水平上探测的各种过程，你不能使用非常大的东西。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生 Uri Zvi 说。“人们以前曾使用金刚石纳米晶体作为生物传感器，但他们发现它们的性能比我们预期的要差。明显更差。
Zvi 是发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文的第一作者，该论文解决了这个问题。Zvi 与芝加哥大学 PME 和爱荷华大学的研究人员一起，将细胞生物学、量子计算、老式半导体和高清电视的见解结合起来，共同创造了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中一个长期存在的谜团。
通过将金刚石纳米颗粒包裹在专门设计的外壳中（一种受 QLED 电视启发的技术），该团队不仅创造了一种非常适合活细胞的量子生物传感器，而且还发现了关于如何改变材料表面以增强其量子特性的新见解。
“它已经是地球上最敏感的东西之一，现在他们已经找到了一种在许多不同的环境中进一步增强它的方法，”Zvi 的首席研究员、芝加哥大学 PME 教授 Aaron Esser-Kahn 说，他是该论文的合著者。
一个装满钻石的牢房
金刚石纳米晶体中的量子比特保持量子相干性，即使粒子小到足以被活细胞“吸收”——一个很好的比喻是细胞吞咽和咀嚼它们而不吐出它们。但金刚石粒子越小，量子信号就越弱。
“这些量子传感器可以带入活细胞，原则上可以用作传感器，这让人们兴奋了一段时间，”该论文的合著者、芝加哥大学 PME 助理教授 Peter Maurer 说。“然而，虽然大块金刚石内部的这种量子传感器具有非常好的量子特性，但当它们在纳米金刚石中时，相干特性、量子特性实际上会显著降低。”
在这里，Zvi 转向了一个不太可能的灵感来源——量子点 LED 电视。QLED 电视使用充满活力的荧光量子点以丰富、全彩的方式广播。早期，颜色明亮但不稳定，容易突然闪烁。
“研究人员发现，用精心设计的外壳包围量子点可以抑制有害的表面效应并增加它们的发射，”Zvi 说。“今天，你可以使用以前不稳定的量子点作为电视的一部分。”
Zvi 与芝加哥大学 PME 和化学系量子点专家 Dmitri Talapin 教授（该论文的合著者）合作，推断出由于量子点的荧光和纳米金刚石信号减弱这两组问题都源于表面状态，因此类似的方法可能有效。
但由于传感器是要进入生物体内的，因此并非每个壳都能正常工作。免疫工程专家 Esser-Kahn 帮助开发了一种硅氧（硅氧烷）壳，它既可以增强量子特性，又不会让免疫系统发现有问题。
“这些材料的表面特性大多数都是粘性和无序的，免疫细胞可以判断它不应该存在。它们看起来像免疫细胞的异物，”Esser-Kahn 说。“涂有硅氧烷的东西看起来像一个大而光滑的水滴。因此，身体更乐于吞噬然后咀嚼这样的颗粒。
之前通过表面工程改善金刚石纳米晶体量子特性的努力收效甚微。因此，该团队预计只会获得适度的收益。相反，他们看到自旋相干性提高了四倍。
这种增加——以及荧光的 1.8 倍增加和电荷稳定性的显着增加——是一个既令人困惑又令人着迷的谜题。
越来越好
“我会试着在晚上上床睡觉，但熬夜想'那里发生了什么？自旋相干性越来越好——但为什么呢？ 爱荷华大学助理教授、新论文的第二作者丹尼斯·坎迪多 （Denis Candido） 说。“我会想'如果我们做这个实验呢？如果我们进行这个计算呢？这非常非常令人兴奋，最后，我们找到了提高连贯性的根本原因。
这个跨学科团队——生物工程师出身的量子科学家 Zvi、免疫工程师 Esser-Kahn 以及量子工程师 Maurer 和 Talapin——请来了 Candido 和爱荷华大学物理学和天文学教授 Michael Flatté，为研究提供一些理论框架。
“我发现真正令人兴奋的是，一些对半导体电子技术至关重要的旧想法对这些新的量子系统来说真的很重要，”Flatté 说。
他们发现，添加二氧化硅外壳不仅可以保护金刚石表面。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。从通常降低量子相干性的原子和分子中耗尽电子，使读取活细胞信号的方式更加灵敏和稳定。
这使该团队能够识别出降低相干性并使量子器件效率降低的特定表面位点，从而解开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。
Zvi 说：“最终影响不仅仅是一个更好的传感器，而且是一个用于量子纳米材料工程相干性和电荷稳定性的新定量框架。
来源：人工智能学家