可提高生物传感器灵敏度的量子光学技术

在一项新的研究中，研究人员发现量子光可以用来实时跟踪酶的反应。这项工作将量子物理学和生物学结合在一起，朝着开发用于生物医学应用的量子传感器迈出了重要的一步。

被称为酶的复杂分子负责我们体内的许多过程。然而，用光学方法研究它们可能很困难，因为太多的光会降低它们的活动，甚至完全停止活动。

在光学学会（OSA）的《光学快报》（Optics Express）期刊上，一个多学科的研究小组表明，在单光子或量子水平上控制的光可以在不干扰酶活性的情况下进行精确测量。

来自意大利罗马特雷大学的研究小组负责人Ilaria Gianani说：“虽然实现实用量子传感器可能需要几年时间，但这种原理验证实验非常重要。它有助于确定我们可以开始与其他领域建立共享知识的领域，并揭示需要技术进步才能取得进展的领域。”

单光子控制

在研究生物分子时，避免使用可能改变其性质或行为的光水平是很重要的。实现这一点可能很有挑战性，因为低水平的光可能无法提供太多信息，而噪声很容易克服微弱信号。今天，酶的研究是通过对从主要样品中采集的分析进行测量，以避免用光损坏样品。这个过程不仅需要时间，而且还阻止了对酶的实时直接观察。

研究人员为了克服了这个问题，开发了一种装置，使他们能够非常精确地将光控制在单光子的水平。这使得在不破坏酶的情况下使用低光照成为可能，有可能获得更好的灵敏度。直接处理样本的能力也允许具有更高分辨率的动态跟踪。

Gianani说：“我们成功的关键是量子物理学家和生物学家之间的合作，他们知道如何处理光子，而生物学家知道如何处理生物系统。虽然一开始很难交换意见，但团队最终共同成长，并发展出一种有助于工作顺利进行的共享语言。但如果没有量子光学小组的首席研究员M.Barbieri教授的监督，这种合作是不可能实现的。”

跟踪酶活性

研究人员使用他们的新技术来跟踪蔗糖溶液中由于一种叫做转化酶的酶的活性而引起的手性变化。跟踪手性一个特定分子旋转光偏振的能力提供了信息，可以用来确定有多少蔗糖分子被酶处理过。实验表明，量子光可以在不干扰样品的情况下实时探测酶的活性。

Gianani说：“这项工作只是量子传感器能做的一个例子。量子传感器可以被用来优化利用光的无数应用，包括生物成像、磁场传感，甚至探测引力波。”

研究人员说，在他们的方法成为跟踪酶反应的通用方法之前，还有一些技术方面需要解决。例如，光损耗是一个很强的限制因素，但他们希望他们的工作将有助于刺激技术发展，从而解决这个问题。 

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