生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的量子傳感器概述

量子傳感器正在從實驗室走向現(xiàn)實世界。量子傳感器的原子長度尺度及其相干特性實現(xiàn)了前所未有的空間分辨率和靈敏度。而生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用能夠從這些量子技術(shù)中受益，但通常難以評估量子技術(shù)對其的潛在影響。量子傳感在分子水平、細(xì)胞水平和生物體水平的潛在應(yīng)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(yī)學(xué)研究產(chǎn)生影響

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國哈佛大學(xué)（Harvard University）、馬里蘭大學(xué)帕克分校（University of Maryland, College Park）與德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)（Technische Universit?t Braunschweig）的聯(lián)合研究團隊在Nature Reviews Physics發(fā)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(xué)Hongkun Park，第一作者為哈佛大學(xué)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(yīng)用現(xiàn)狀，并討論了量子傳感走向商業(yè)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(xì)胞光譜學(xué)的四個案例研究，突出了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)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(biāo)物理量的單個系統(tǒng)或系統(tǒng)集合。量子傳感器已經(jīng)在工作原理迥異的多種系統(tǒng)中實現(xiàn)。這種多樣性使其各自適用于不同應(yīng)用領(lǐng)域，并允許它們在使用中優(yōu)劣互補。量子傳感器有三種突出的應(yīng)用平臺：超導(dǎo)電路（即為超導(dǎo)量子干涉器件SQUID）、原子系綜（Atomic ensembles，即為OPM）和固態(tài)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(yōu)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(chǎn)生的磁場。相反，NV中心的一項主要優(yōu)勢是傳感器到樣本的距離短，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)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(xì)胞水平的光譜學(xué)和診斷學(xué)應(yīng)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(yīng)用案例

1. 基于OPM的腦磁圖（MEG）

對人體生物磁性的監(jiān)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(jié)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(yè)和臨床上均得到了廣泛應(yīng)用，但其苛刻的操作條件仍然存在嚴(yán)重的局限性。量子傳感技術(shù)的出現(xiàn)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(gòu)，同時縮短了傳感器到樣本的距離。OPM的另一項優(yōu)勢是能夠探測矢量磁場。此外，OPM微型化的研究進(jìn)展已使OPM-MEG原型得以實現(xiàn)（如圖3a），為其實際應(yīng)用鋪平了道路。

圖3 基于OPM的MEG

2. 細(xì)胞和組織的基于NV的磁傳感和成像

單個細(xì)胞和組織也可以產(chǎn)生磁場。磁性標(biāo)記能夠以磁性納米顆粒（MNP）或自旋標(biāo)記的形式引入生命系統(tǒng)。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(jìn)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(xì)胞/組織中并功能化，例如靶向蛋白質(zhì)。

標(biāo)記、探測和靶向單個細(xì)胞對于如區(qū)分癌細(xì)胞與健康細(xì)胞等診斷應(yīng)用來說很有幫助。MNP構(gòu)成了磁免疫分析技術(shù)的基礎(chǔ)，磁免疫分析技術(shù)是一種新興的輔助診斷方式，與熒光標(biāo)記相比更具潛在優(yōu)勢：長期穩(wěn)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(tǒng)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(xiàn)令人興奮的應(yīng)用。

基于NV的磁強計的出現(xiàn)，使得在環(huán)境條件下對納米級和微米級樣本進(jìn)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(yīng)用。在納米尺度，基于NV的NMR受益于樣本自旋的統(tǒng)計極化；而在微米尺度上，由于熱極化占主導(dǎo)地位，通常需要通過強磁場和超極化的方法來進(jìn)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(tǒng)NMR和電子順磁共振波譜學(xué)那樣必須改變射頻設(shè)備。在對生物樣本成像時，基于NV的NMR可充分發(fā)揮自身潛力，因為它可以揭示納米尺度到微米尺度的化學(xué)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(jìn)行活體納米級溫度測量，能夠?qū)?xì)胞和小型生物中各種與溫度相關(guān)的生物現(xiàn)象進(jìn)行局部探測，包括外部熱梯度和內(nèi)部熱產(chǎn)生的影響，也可為控制細(xì)胞周期和有機體發(fā)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(guān)變化（如圖6a）。為了優(yōu)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(xì)胞和小型生物的高空間分辨率溫度傳感。與傳統(tǒng)的溫度探針相比，納米金剛石量子傳感器具有納米級、穩(wěn)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(xué)應(yīng)用領(lǐng)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(jié)合的應(yīng)用（如圖6c）。

圖6 基于納米金剛石NV中心的溫度測量

總結(jié)

在過去十年中，量子傳感器領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，已從早期的原理驗證實驗逐步發(fā)展到生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的實際應(yīng)用。盡管量子傳感器前途光明，但仍然存在諸多挑戰(zhàn)，這些問題的探索與解決可能需要多學(xué)術(shù)領(lǐng)域和行業(yè)之間的相互合作。一方面，當(dāng)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(fā)相結(jié)合來進(jìn)一步提升。另一方面，這些技術(shù)需要通過進(jìn)一步集成化和微型化，才能夠在現(xiàn)實條件下實現(xiàn)可擴展性和易操作性，這將是量子傳感器技術(shù)廣泛應(yīng)用和成功商業(yè)化的關(guān)鍵。伴隨這些技術(shù)改進(jìn)，量子傳感器有望成為生物醫(yī)學(xué)系統(tǒng)表征和診斷的關(guān)鍵工具。

審核編輯：劉清