如果人類可以使用 X 射線視覺來觀察阿爾茨海默病最早的細胞過程，他們就會看到大腦中某處的一條蛋白質鏈將自己綁成一個畸形的結。

這種被稱為蛋白質錯誤折疊的微觀花邊在人類生物學中是正常的。然而，當身體篩選這些錯誤折疊蛋白質的機制失敗時，結果可能導致神經退行性疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病。

究竟為什么蛋白質會錯誤折疊以及為什么身體有時無法消除它們是未知的，這也是芝加哥大學普利茲克分子工程學院(PME) 的研究人員正在開發(fā)一些世界上最先進的生物傳感器的原因之一。

編譯來源：Eurekalert    編輯｜感知芯視界  

據Eurekalert5月13日消息，分子工程助理教授Peter Maurer創(chuàng)造了下一代量子傳感器，將打開生物和醫(yī)學研究的新大門。

在介紹Peter Maurer的新研究之前，我們有必要了解一下什么是量子傳感器：

01 量子傳感器的定義  

一項技術怎樣才能認為是量子技術？業(yè)內研究員普遍認為，遵循量子力學規(guī)律，利用量子的疊加性與糾纏性等量子效應的技術，都可嚴格地認為是量子技術。  

近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計等特性，可以實現(xiàn)更高精度的測量。因此，基于量子力學特性實現(xiàn)對物理量進行高精度的測量稱為量子傳感。

在量子傳感中，電磁場、溫度、壓力等外界環(huán)境直接與電子、光子、聲子等體系發(fā)生相互作用并改變它們的量子狀態(tài)，最終通過對這些變化后的量子態(tài)進行檢測實現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測量。而利用當前成熟的量子態(tài)操控技術，可以進一步提高測量的靈敏度。因此，這些電子、光子、聲子等量子體系就是一把高靈敏度的量子“尺子”——量子傳感器。  

所謂量子傳感器，可以從兩方面加以定義：  

(1)利用量子效應、根據相應量子算法設計的、用于執(zhí)行變換功能的物理裝置;  

(2)為了滿足對被測量進行變換，某些部分細微到必須考慮其量子效應的變換元件。  

不管從哪個方面定義，量子傳感器都必須遵循量子力學規(guī)律?？梢哉f，量子傳感器就是根據量子力學規(guī)律、利用量子效應設計的、用于執(zhí)行對系統(tǒng)被測量進行變換的物理裝置。

比如量子雷達技術，就運用了量子糾纏原理。根據物理學家SethLloyd的理論方案，這個過程包括將一系列糾纏光子對中的一半從一個物體上彈回來，然后將返回的光子與被阻擋的光子進行比較。這樣做的目的是將最初發(fā)出的輻射與強噪聲源區(qū)分開來，發(fā)現(xiàn)隱形飛機等普通雷達無法探測到的物體，并將雷達操作員隱藏起來。  

與蓬勃發(fā)展的生物傳感器一樣，量子傳感器應由產生信號的敏感元件和處理信號的輔助儀器兩部分組成，其中敏感元件是傳感器的核心，它利用的是量子效應。  

我們再來說回Maurer的新研究。Maurer的納米傳感器由鉆石制成并由量子物理學提供動力，將能夠測量活細胞內的磁場和電場、時間、溫度和壓力。雖然他的研究仍處于早期階段，但它在醫(yī)學及其他領域具有深遠的潛力。

圖片：普利茲克分子工程教授 Peter Maurer 及其同事正在使用納米級傳感器直接從細胞中傳遞關鍵信息。

量子傳感器可以對當前技術無法訪問的生物過程進行測量，或者在疾病臨床表現(xiàn)之前對其進行檢測。這項技術具有擴展生物物理學和分子生物學研究的潛力，”Maurer說?！斑@將幫助我們了解用傳統(tǒng)方法看不到的過程。然后，當它在臨床環(huán)境中得到應用時，你會看到新的、非常有效的疾病篩查過程——對我們目前無法檢測的疾病進行檢測。”

02 了解事物

Maurer 解釋說，要理解這項工作，了解一點量子力學會有所幫助。

“據我們所知，量子力學是一個偉大的理論，它幾乎可以完整地解釋世界，”毛雷爾說?！八忉屃嗽尤绾谓Y合在一起以及驅動化學反應的因素，這可以解釋生物學和細胞如何工作。從某種意義上說，量子力學是我們現(xiàn)在所擁有的世界上最基本的理論。”

量子力學還包含一些最違反直覺的科學原理，如疊加和量子隧穿。多年來，像 Maurer 這樣的工程師已經找到了將這些原則應用于行業(yè)變革技術開發(fā)的方法。

原子鐘可以在 150 億年內準確地將時間保持在 100 毫秒以內，被認為是量子傳感的早期形式。自創(chuàng)建以來，它們已成為 GPS 和現(xiàn)代衛(wèi)星通信等多項復雜技術的支柱。就像原子鐘改變了時間測量一樣，像 Maurer 這樣的工程師希望改變許多其他現(xiàn)象的測量。

03 粗糙的鉆石

Maurer 自博士后以來，一直從事的一項應用是研究細胞中的溫度。量子系統(tǒng)對溫度變化極為敏感。例如，量子計算機需要以接近絕對零的溫度存儲才能運行，需要一個人大小的冰箱。這種敏感性是量子計算的一個障礙，當應用于傳感時，它可以提供非常詳細的信息。

基于這種理解，Maurer 開發(fā)了小到可以插入活體生物學的傳感器。為此，他使用實驗室制造的鉆石，其中心設計有特定缺陷：即所謂的氮空位 (NV) 中心。由于其結構，該缺陷具有稱為自旋的量子特性。

研究人員可以使用電磁輻射來改變鉆石內部的自旋，就像用磁鐵移動指南針一樣。與其他工具配合使用，研究人員可以感知各種力，例如磁場和電場、壓力和溫度。

Maurer 方法的優(yōu)勢在于，他可以通過稱為內吞作用的過程將其中一個納米傳感器“喂入”活細胞。一旦進入細胞，Maurer 的傳感器就可以在不破壞細胞正常功能的情況下監(jiān)測溫度，加熱部件并測量反應。

了解細胞中的溫度至關重要，因為許多化學反應都是由熱引發(fā)的，有時，這些反應會導致不良結果，例如蛋白質變性或錯誤折疊。

04 傳感的飛躍

目前，Maurer 正在與 芝加哥大學分子遺傳學和細胞生物學系助理教授David Pincus合作，作為美國國家科學基金會 生物物理和生物工程量子傳感量子躍遷挑戰(zhàn)研究所 (QuBBE) 的一部分。

他們一起研究熱休克反應，這是人體篩選錯誤折疊蛋白質的機制。他們的研究可能會解鎖解決蛋白質錯誤折疊的新方法，并為神經退行性疾病帶來新的測試或治療方法。對于 Maurer 來說，這是一個將他在量子工程方面的工作應用于影響許多人的問題的機會。

“量子傳感器特別有吸引力，因為它們使我們能夠探測我們無法使用傳統(tǒng)技術訪問的分子和生物過程，”毛雷爾說?！巴ㄟ^這種方式，我們可以了解人類健康的內部運作方式，而這正是我們的社會可以從量子技術中直接受益的東西。這是使用這項技術做一些有意義的事情的能力?！?

像 Maurer 正在開發(fā)的那些量子生物傳感器仍處于早期概念驗證階段，這意味著它們可能需要一段時間才能出現(xiàn)在商業(yè)領域。然而，他預測醫(yī)學研究人員將在未來 5-10 年內開始看到它們的好處。