量子光提高了生物測量的靈敏度

在一項(xiàng)新研究中，研究人員表明，量子光可用于實(shí)時(shí)跟蹤酶反應(yīng)。這項(xiàng)工作將量子物理學(xué)和生物學(xué)結(jié)合在一起，是朝著生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用量子傳感器發(fā)展的重要一步。

被稱為酶的復(fù)雜分子負(fù)責(zé)我們體內(nèi)的許多過程。但是，使用光學(xué)方法很難研究它們，因?yàn)檫^多的光會降低其活性，甚至完全停止其活性。

在光學(xué)學(xué)會(OSA)的《光學(xué)快報(bào)》上，一個(gè)多學(xué)科的研究小組表明，將光控制在單光子或量子水平可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測量而不會破壞酶的活性。

“盡管可能需要幾年的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子傳感器，但是這種原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)還是很重要的，”意大利大學(xué)研究中心的研究小組負(fù)責(zé)人Ilaria Gianani說。“它有助于查明我們可以開始與其他領(lǐng)域建立共享知識的領(lǐng)域，并揭示需要技術(shù)進(jìn)步才能取得進(jìn)步的領(lǐng)域。”

單光子控制

在研究生物分子時(shí)，重要的是避免使用可能會改變其特性或行為的光水平。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可能是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榈退降墓饩€可能無法提供太多信息，并且噪聲可以輕松克服微弱的信號。如今，已經(jīng)對酶進(jìn)行了研究，測量方法是對從主要樣品中收集的化驗(yàn)進(jìn)行測量，以避免光損傷樣品。該過程不僅花費(fèi)時(shí)間，而且還阻止了實(shí)時(shí)直接觀察酶。

研究人員通過開發(fā)一種裝置解決了這個(gè)問題，該裝置可以使他們在單個(gè)光子的水平??上極其精確地控制光。這使得可以在不破壞酶的情況下使用低照度，并有可能獲得更高的靈敏度。直接處理樣品的能力還允許以更高的分辨率進(jìn)行動態(tài)跟蹤。

“我們成功的關(guān)鍵是知道如何處理光子的量子物理學(xué)家與知道如何處理生物系統(tǒng)的生物學(xué)家之間的合作。” 加尼亞尼說。“盡管起初很難交流思想，但團(tuán)隊(duì)最終得以發(fā)展壯大，并發(fā)展出一種共同的語言來幫助工作順利進(jìn)行。如果沒有該團(tuán)隊(duì)首席研究員M. Barbieri教授的監(jiān)督，這種合作是不可能的。量子光學(xué)集團(tuán)。”

跟蹤酶活性

研究人員使用他們的新技術(shù)來追蹤由于一種稱為轉(zhuǎn)化酶的酶的活性而導(dǎo)致的蔗糖溶液手性的變化。跟蹤手性(給定分子旋轉(zhuǎn)光偏振的能力)可提供信息，該信息可用于確定酶已處理了多少蔗糖分子。實(shí)驗(yàn)表明，量子光可用于實(shí)時(shí)探測酶活性，而不會干擾樣品。

賈尼尼說：“這項(xiàng)工作只是量子傳感器可以做的一個(gè)例子。” “量子傳感器可用于無數(shù)種應(yīng)用的最佳光，包括生物成像，磁場傳感甚至重力波檢測。”

研究人員說，在他們的方法成為跟蹤酶促反應(yīng)的首選方法之前，需要解決一些技術(shù)問題。例如，光損失是一個(gè)很強(qiáng)的限制因素，但他們希望他們的工作將有助于刺激可以解決該問題的技術(shù)發(fā)展。