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编译来源：EurekAlert ，谢谢
如果人类可以使用 X 射线视觉来观察阿尔茨海默病最早的细胞过程，他们就会看到大脑中某处的一条蛋白质链将自己绑成一个畸形的结。
这种被称为蛋白质错误折叠的微观花边在人类生物学中是正常的。然而，当身体筛选这些错误折叠蛋白质的机制失败时，结果可能导致神经退行性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病。
究竟为什么蛋白质会错误折叠以及为什么身体有时无法消除它们是未知的，这也是芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME) 的研究人员正在开发一些世界上最先进的生物传感器的原因之一。
编辑｜感知芯视界
据EurekAlert5月13日消息，分子工程助理教授Peter Maurer创造了下一代量子传感器，将打开生物和医学研究的新大门。
在介绍Peter Maurer的新研究之前，我们有必要了解一下什么是量子传感器：
01
量子传感器的定义
一项技术怎样才能认为是量子技术？业内研究员普遍认为，遵循量子力学规律，利用量子的叠加性与纠缠性等量子效应的技术，都可严格地认为是量子技术。
近年来，人们发现利用量子力学的基本属性，例如量子相干，量子纠缠，量子统计等特性，可以实现更高精度的测量。因此，基于量子力学特性实现对物理量进行高精度的测量称为量子传感。
在量子传感中，电磁场、温度、压力等外界环境直接与电子、光子、声子等体系发生相互作用并改变它们的量子状态，最终通过对这些变化后的量子态进行检测实现外界环境的高灵敏度测量。而利用当前成熟的量子态操控技术，可以进一步提高测量的灵敏度。因此，这些电子、光子、声子等量子体系就是一把高灵敏度的量子“尺子”——量子传感器。
所谓量子传感器，可以从两方面加以定义：
(1)利用量子效应、根据相应量子算法设计的、用于执行变换功能的物理装置;
(2)为了满足对被测量进行变换，某些部分细微到必须考虑其量子效应的变换元件。
不管从哪个方面定义，量子传感器都必须遵循量子力学规律。可以说，量子传感器就是根据量子力学规律、利用量子效应设计的、用于执行对系统被测量进行变换的物理装置。
比如量子雷达技术，就运用了量子纠缠原理。根据物理学家SethLloyd的理论方案，这个过程包括将一系列纠缠光子对中的一半从一个物体上弹回来，然后将返回的光子与被阻挡的光子进行比较。这样做的目的是将最初发出的辐射与强噪声源区分开来，发现隐形飞机等普通雷达无法探测到的物体，并将雷达操作员隐藏起来。
与蓬勃发展的生物传感器一样，量子传感器应由产生信号的敏感元件和处理信号的辅助仪器两部分组成，其中敏感元件是传感器的核心，它利用的是量子效应。
我们再来说回Maurer的新研究。Maurer的纳米传感器由钻石制成并由量子物理学提供动力，将能够测量活细胞内的磁场和电场、时间、温度和压力。虽然他的研究仍处于早期阶段，但它在医学及其他领域具有深远的潜力。
图片：普利兹克分子工程教授 Peter Maurer 及其同事正在使用纳米级传感器直接从细胞中传递关键信息。
量子传感器可以对当前技术无法访问的生物过程进行测量，或者在疾病临床表现之前对其进行检测。这项技术具有扩展生物物理学和分子生物学研究的潜力，”Maurer说。“这将帮助我们了解用传统方法看不到的过程。然后，当它在临床环境中得到应用时，你会看到新的、非常有效的疾病筛查过程——对我们目前无法检测的疾病进行检测。”
02
了解事物
Maurer 解释说，要理解这项工作，了解一点量子力学会有所帮助。
“据我们所知，量子力学是一个伟大的理论，它几乎可以完整地解释世界，”毛雷尔说。“它解释了原子如何结合在一起以及驱动化学反应的因素，这可以解释生物学和细胞如何工作。从某种意义上说，量子力学是我们现在所拥有的世界上最基本的理论。”
量子力学还包含一些最违反直觉的科学原理，如叠加和量子隧穿。多年来，像 Maurer 这样的工程师已经找到了将这些原则应用于行业变革技术开发的方法。
原子钟可以在 150 亿年内准确地将时间保持在 100 毫秒以内，被认为是量子传感的早期形式。自创建以来，它们已成为 GPS 和现代卫星通信等多项复杂技术的支柱。就像原子钟改变了时间测量一样，像 Maurer 这样的工程师希望改变许多其他现象的测量。
03
粗糙的钻石
Maurer 自博士后以来，一直从事的一项应用是研究细胞中的温度。量子系统对温度变化极为敏感。例如，量子计算机需要以接近绝对零的温度存储才能运行，需要一个人大小的冰箱。这种敏感性是量子计算的一个障碍，当应用于传感时，它可以提供非常详细的信息。
基于这种理解，Maurer 开发了小到可以插入活体生物学的传感器。为此，他使用实验室制造的钻石，其中心设计有特定缺陷：即所谓的氮空位 (NV) 中心。由于其结构，该缺陷具有称为自旋的量子特性。
研究人员可以使用电磁辐射来改变钻石内部的自旋，就像用磁铁移动指南针一样。与其他工具配合使用，研究人员可以感知各种力，例如磁场和电场、压力和温度。
Maurer 方法的优势在于，他可以通过称为内吞作用的过程将其中一个纳米传感器“喂入”活细胞。一旦进入细胞，Maurer 的传感器就可以在不破坏细胞正常功能的情况下监测温度，加热部件并测量反应。
了解细胞中的温度至关重要，因为许多化学反应都是由热引发的，有时，这些反应会导致不良结果，例如蛋白质变性或错误折叠。
04
传感的飞跃
目前，Maurer 正在与 芝加哥大学分子遗传学和细胞生物学系助理教授David Pincus合作，作为美国国家科学基金会 生物物理和生物工程量子传感量子跃迁挑战研究所 (QuBBE) 的一部分。
他们一起研究热休克反应，这是人体筛选错误折叠蛋白质的机制。他们的研究可能会解锁解决蛋白质错误折叠的新方法，并为神经退行性疾病带来新的测试或治疗方法。对于 Maurer 来说，这是一个将他在量子工程方面的工作应用于影响许多人的问题的机会。
“量子传感器特别有吸引力，因为它们使我们能够探测我们无法使用传统技术访问的分子和生物过程，”毛雷尔说。“通过这种方式，我们可以了解人类健康的内部运作方式，而这正是我们的社会可以从量子技术中直接受益的东西。这是使用这项技术做一些有意义的事情的能力。”
像 Maurer 正在开发的那些量子生物传感器仍处于早期概念验证阶段，这意味着它们可能需要一段时间才能出现在商业领域。然而，他预测医学研究人员将在未来 5-10 年内开始看到它们的好处。
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