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(xì)胞過程，他們就會(huì)看到大腦中某處的一條蛋白質(zhì)鏈將自己綁成一個(gè)畸形的結(jié)。
這種被稱為蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊的微觀花邊在人類生物學(xué)中是正常的。然而，當(dāng)身體篩選這些錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的機(jī)制失敗時(shí)，結(jié)果可能導(dǎo)致神經(jīng)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(zhì)會(huì)錯(cuò)誤折疊以及為什么身體有時(shí)無法消除它們是未知的，這也是芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院(PME) 的研究人員正在開發(fā)一些世界上最先進(jìn)的生物傳感器的原因之一。
編譯來源：Eurekalert 編輯｜感知芯視界
據(jù)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(xué)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(xiàng)技術(shù)怎樣才能認(rèn)為是量子技術(shù)？業(yè)內(nèi)研究員普遍認(rèn)為，遵循量子力學(xué)規(guī)律，利用量子的疊加性與糾纏性等量子效應(yīng)的技術(shù)，都可嚴(yán)格地認(rèn)為是量子技術(shù)。
近年來，人們發(fā)現(xiàn)利用量子力學(xué)的基本屬性，例如量子相干，量子糾纏，量子統(tǒng)計(jì)等特性，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)量。因此，基于量子力學(xué)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量進(jìn)行高精度的測(cè)量稱為量子傳感。
在量子傳感中，電磁場(chǎng)、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(duì)這些變化后的量子態(tài)進(jìn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的高靈敏度測(cè)量。而利用當(dāng)前成熟的量子態(tài)操控技術(shù)，可以進(jìn)一步提高測(cè)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(yīng)、根據(jù)相應(yīng)量子算法設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行變換功能的物理裝置;
(2)為了滿足對(duì)被測(cè)量進(jìn)行變換，某些部分細(xì)微到必須考慮其量子效應(yīng)的變換元件。
不管從哪個(gè)方面定義，量子傳感器都必須遵循量子力學(xué)規(guī)律?？梢哉f，量子傳感器就是根據(jù)量子力學(xué)規(guī)律、利用量子效應(yīng)設(shè)計(jì)的、用于執(zhí)行對(duì)系統(tǒng)被測(cè)量進(jìn)行變換的物理裝置。
比如量子雷達(dá)技術(shù)，就運(yùn)用了量子糾纏原理。根據(jù)物理學(xué)家SethLloyd的理論方案，這個(gè)過程包括將一系列糾纏光子對(duì)中的一半從一個(gè)物體上彈回來，然后將返回的光子與被阻擋的光子進(jìn)行比較。這樣做的目的是將最初發(fā)出的輻射與強(qiáng)噪聲源區(qū)分開來，發(fā)現(xiàn)隱形飛機(jī)等普通雷達(dá)無法探測(cè)到的物體，并將雷達(dá)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(yīng)由產(chǎn)生信號(hào)的敏感元件和處理信號(hào)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(yīng)。
我們?cè)賮碚f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(xué)提供動(dòng)力，將能夠測(cè)量活細(xì)胞內(nèi)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)、時(shí)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(xué)及其他領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)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(jí)傳感器直接從細(xì)胞中傳遞關(guān)鍵信息。
量子傳感器可以對(duì)當(dāng)前技術(shù)無法訪問的生物過程進(jìn)行測(cè)量，或者在疾病臨床表現(xiàn)之前對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。這項(xiàng)技術(shù)具有擴(kuò)展生物物理學(xué)和分子生物學(xué)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(dāng)它在臨床環(huán)境中得到應(yīng)用時(shí)，你會(huì)看到新的、非常有效的疾病篩查過程——對(duì)我們目前無法檢測(cè)的疾病進(jìn)行檢測(cè)。”
