From Solid-State Spin Defects to Fluorescent Proteins: A Perspective on Quantum Optical Sensing Platforms for Biomedical Applications

在最小尺度下的生命是一个由无形力量构成的世界。在活细胞内部，电子运动产生的磁场在闪烁，代谢活动引发的温度以微小的度数发生偏移，而微小的机械拉力则在细胞膜试图抓取周围环境时将其拉伸。几十年来，科学家们一直致力于在不干扰其试图观察的精密机制的情况下，测量这些细微的低语。经典工具往往缺乏观察如此微弱信号的灵敏度，或者体积过于庞大，无法放入生物体内。为了解决这个问题，研究人员转向了量子物理学的奇妙规则，特别是利用单个原子的行为来充当微型传感器。这些传感器依赖于一种被称为“自旋”的属性，它可以被理解为一个指向特定方向的微小内部指南针。通过观察这个“指针”在暴露于热量、磁场或电荷时如何摇摆或改变方向，科学家可以极其精确地推断出周围的环境状况。挑战一直在于寻找一种既能探测到这些微弱信号，又足够微小且稳定，能够在潮湿、嘈杂的生物环境中生存而不损坏或伤害细胞的传感器。

来自印度理工学院孟买分校的研究人员提供了一个新视角，追踪了这些量子传感器从刚性实验室材料向为人体设计的柔性工具的演变历程。故事始于钻石中的一个缺陷——这是一个氮原子位于缺失碳原子旁的微小缺陷。这个氮-空位中心（nitrogen-vacancy center）充当了一个完美的、稳定的指南针，可以通过光进行读取。科学家们已经学会将这些钻石雕刻成微小的针和柱，使其能够被放置在紧邻活细胞的地方。当这些钻石传感器靠近细胞时，它们可以探测到由自由基（在衰老和疾病中发挥作用的不稳定分子）产生的磁噪声，或者测量细胞在压力下发生的温度变化。研究人员强调，通过对钻石表面进行工程化处理，可以使其在复杂的活细胞化学汤中保持稳定，从而将其转化为能够绘制细胞内部温度图谱或追踪单个分子运动的工具。

然而，该论文认为，这一领域的未来可能不仅仅在于坚硬的钻石，而在于构成生命的蛋白质本身。虽然钻石很坚固，但它们是外来物体，必须被注入细胞，这在控制上具有难度。研究人员指出了一种极具前景的替代方案：荧光蛋白，即让水母发光的同类分子。科学家们发现，某些蛋白质可以被诱导进入一种量子态，其内部自旋可以像钻石缺陷一样通过光进行操纵和读取。这些蛋白质具有巨大的优势：由于它们是由与细胞相同的构建模块组成的，因此可以通过基因编程，让它们出现在科学家希望出现的任何位置，例如在特定的细胞器内部或附着在特定的蛋白质上。论文详细描述了研究人员如何成功演示了这些基于蛋白质的传感器可以在细菌中于室温下进行读取，但在哺乳动物细胞中实现完全的相干控制目前仍仅能在较低温度下实现，这为一种直接构建在所研究生物之内的全新量子传感技术打开了大门。

该综述仔细梳理了这些技术目前的现状，区分了哪些是在培养皿中得到证实的，哪些仍是未来的梦想。在实验室中，钻石传感器已经取得了卓越的成就。它们已被用于从体外测量活体大鼠心脏的磁场，这一壮举需要探测到仅为九万亿分之一特斯拉的微弱信号。在细胞内部，它们追踪了药物的释放，并监测了线粒体（细胞的能量工厂）在受到压力时发生的温度变化。然而，作者明确指出，从培养皿迈向活体人类患者并非易事。论文指出，虽然钻石传感器在受控环境中表现良好，但在厚组织中会面临光学干扰和运动带来的挑战。此外，基于蛋白质的传感器虽然优雅，但其运作的物理原理与钻石传感器不同；论文明确指出，诸如磁灵敏度、温度灵敏度以及分析物检测限等指标描述的是不同的可观测物理量，不应被视为等效的性能指标，因此在两个平台之间直接比较“灵敏度”是不恰当的。研究人员明确排除了这些工具已准备好投入临床使用的想法；相反，他们提出了一个必须克服的工程路线图，例如如何改善光在组织中的传播，以及如何确保传感器在活体生物这种混乱的环境中不会发生漂移或失去校准。

未来的路径涉及材料科学与生物工程的结合。论文描述了研究人员如何构建将这些传感器与流道相结合的微芯片，使其能够在受控的流动中研究细胞，就像是在芯片上的实验室一样。他们还在开发新的传感器涂层，类似于用壳保护珍珠的方法，以确保量子信号在水和盐的存在下保持稳定。最终目标是创建一个混合系统，使固体材料的稳固性与基因靶向的精准性相结合。如果成功，这将使医生能够实时观察疾病的不可见过程，通过量子力学的透镜，观察肿瘤如何对药物做出反应，或神经元如何放电。论文最后总结道，尽管这项技术仍处于早期阶段，但从孤立的固体缺陷向生物集成系统的转变标志着一次重大的转变。它暗示，在未来十年内，我们可能会从仅仅在实验室中观察量子效应，转变为利用它们作为理解生命基本机制的实用工具。