Quantum-elevated Chiral Discrimination for Bio-molecules
本文展示了一种利用连续变量偏振纠缠态，在液相中区分手性生物分子的非破坏性、量子增强方法，其灵敏度在标准噪声极限基础上提升了 5 dB，从而克服了传统光学技术的局限性。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
在化学的微观世界中，许多分子以两种形式存在，它们彼此互为完美的镜像，就像左手和右手一样。科学家们称这些镜像对为对映异构体（enantiomers）。虽然它们在标准镜子中看起来完全相同，但在人体内的表现却大相径庭。地球上的生命建立在对其中一种版本的特定偏好之上；例如，我们的身体仅使用左手型的氨基酸来构建蛋白质，而右手型版本通常是无用的，甚至是有毒的。这种区别对于医药领域至로关键，因为由错误镜像构成的药物可能会无法治愈疾病，甚至造成严重的伤害。为了保障人类安全并理解生命如何运作，科学家必须能够极其精确地分辨这些镜像。
传统的做法是通过让光穿过样本并观察光是如何扭转的。由于这两种镜像分子会向相反的方向扭转光，通过测量这种扭转，可以揭示存在的是哪一个版本。然而，这种方法面临着一个棘手的难题：这些分子引起的扭转极其微小。为了清晰地观察到它，科学家通常需要照射非常强的光，但强光会损坏脆弱的生物样本，如蛋白质或细胞，本质上是在测量之前就把它们“煮熟”了。如果他们使用弱光来保护样本，信号就会变得如此微弱，以至于淹没在光本身自然的随机噪声中，这种极限被称为散粒噪声极限（shot-noise limit）。长期以来，研究人员面临着一个艰难的选择：使用强光以获得清晰度，但冒着破坏样本的风险；或者使用温和的光来保护样本，但会失去观察细节的能力。
上海交通大学的一个研究团队发现了一种打破这种权衡的方法。他们开发出一种新方法，无需用强光轰击样本，即可高灵敏度地观察这些微小的分子扭转。他们没有使用普通的激光光，即表现为独立粒子流的光，而是创造了一种特殊的量子态光，其中的粒子相互关联在一起。在这种状态下，通常会掩盖信号的随机抖动被抑制了，使得由分子引起的微弱扭转即使在光线暗淡时也能清晰显现。通过使用这种“安静”的量子光，他们能够以比普通光最佳性能还要高出5分贝的灵敏度，区分液体溶液中的左手型和右手型氨基酸。
研究人员使用精氨酸（人体内常见的一种氨基酸）对该系统进行了测试。他们制备了含有不同比例左手型和右手型形式的溶液，并将量子光穿过这些溶液。使用普通光时，系统只能在氨基酸浓度相对较高时检测到扭转。当浓度降至某一点以下时，信号就会消失在背景噪声中。然而，当团队切换到量子纠缠光时，他们可以在比之前低三倍的浓度下检测到扭转。这意味着即使在样本非常稀薄且光线温和到不会造成任何损伤的情况下，他们也能识别出分子的存在并判断哪种版本占主导地位。
这一进展具有重要意义，因为它为研究那些此前因过于敏感而无法进行高精度手性分析的脆弱生物样本打开了大门。该团队证明了其方法不仅适用于纯样本，也适用于混合物，能够测量两种镜像形式之间的精确平衡，这一特性被称为对映体过量（enantiomeric excess）。这种能力对于制药研究至关重要，因为药物镜像的纯度决定了其安全性和有效性。通过证明量子光可以克服经典物理学的基本噪声极限，研究人员为化学和生物学提供了一种新的工具。他们的工作表明，在未来，科学家可以通过使用既温和到足以保护生命、又灵敏到足以揭示生命最深层秘密的光，来分析复杂的生物过程并开发更安全的药物。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。