量子生物探测领域重大技术突破

科技日报天津3月4日讯 记者从天津理工大学了解到，集成电路科学与工程学院青年教师李培日前携手中国科学技术大学、北京计算科学研究中心及匈牙利维格纳物理研究中心，在量子传感技术领域取得显著进展。这一突破为量子探测向生命科学应用迈进打下坚实理论基础，相关成果已刊登于国际学术期刊《自然·材料》。

量子传感器以极高的磁场灵敏度闻名，常被称作“纳米尺度的听诊器”，能感知极细微的磁场变化，是医学诊断和生命科学研究中的重要工具。目前应用最多的是金刚石氮-空位色心量子传感器，其能够在室温下运行，但需要532纳米绿光激发。这种激发波段容易被生物组织中的水和有机分子吸收，同时会引起组织的自发光和局部升温，导致检测信号受到干扰，限制了其在活体环境下的应用。

面对上述挑战，研究团队选用了半导体行业广泛应用的舆情网碳化硅材料，采用低温烯烃分子化学修饰技术，在碳化硅表面形成一层有机碳链保护层。这个“保护衣”能够有效阻隔表面陷阱态对色心量子比特的影响，并保持材料电学结构的稳定。实际测试显示，该方法显著缓解了量子比特退相干和荧光闪烁等问题，提升了传感器的可靠性和稳定性。

借助这一表面工程技术，研究团队创建了室温下稳定运行、具有生物惰性的量子传感平台。该平台的激发与发射波段处于近红外生物窗口，具有吸收率低和背景荧光少的特点，非常适合在复杂的生物环境中进行非侵入式磁场信号检测。此外，该平台对于局部电子自旋噪声极为敏感。

这项成果不仅提升了量子传感器的灵敏度和稳定性，更为量子技术在生物医学领域的应用打开了新道路。经过进一步优化，这一技术有可能应用于量子核磁共振检测、单分子磁共振成像、自由基检测等前沿领域，将为细胞层面的病变实时监测、体内药物作用路径追踪等精准医学检测提供新工具。

李培介绍，将分子层面界面工程设计应用于量子传感器，不仅增强了设备在室温下的运行稳定，也提升了设备在实际生物环境中的适应能力。这种新方法为室温生物量子传感提供了有效解决方案，同时也为宽禁带半导体量子器件的界面工程设计带来了新的思路。