记者4日从天津理工大学获悉,该校集成电路科学与工程学院青年教师李培带领的国际合作团队在量子传感技术应用领域实现重要突破。
这一成果已在国际权威期刊《自然·材料》发表,标志着我国在量子生物探测前沿领域取得关键性进展。
量子传感器因其对磁场信号的超高灵敏度,被科学界视为探测生命活动微观信息的理想工具。
这种被形象称为"纳米尺度听诊器"的精密仪器,能够捕获极其微弱的磁场变化,在疾病早期诊断、药物作用机制研究等方面展现出广阔应用前景。
然而,技术瓶颈长期制约着这一前沿技术向临床转化。
当前应用最为成熟的金刚石氮-空位色心量子传感器虽可在常温环境下工作,但其运行所需的532纳米绿光激发波段恰好与生物体内水分子及有机物质的吸收光谱重叠。
这不仅导致激发光能量大量损耗,更会诱发生物组织产生自发荧光干扰和局部温度升高,严重影响探测信号的准确性和可靠性。
这一矛盾使得量子传感器难以在活体环境中发挥应有效能,成为阻碍该技术走向实际应用的核心难题。
面对这一挑战,研究团队另辟蹊径,将研究重点转向半导体工业中技术成熟、性能稳定的碳化硅材料体系。
团队创造性地运用低温烯烃分子化学修饰方法,在碳化硅材料表面精确构筑出一层有机碳链保护结构。
这层特殊的分子保护层如同为量子传感器穿上一件功能性"防护服",既能有效屏蔽材料表面缺陷态对量子比特的不利影响,又能保持材料整体电学性质的稳定性。
实验数据显示,这一表面分子工程技术显著改善了量子比特的退相干现象和荧光闪烁问题,使传感器的工作性能得到大幅提升。
更为重要的是,基于该技术构建的量子传感平台实现了在室温条件下的稳定运行,其激发光和发射光波段均位于近红外生物窗口范围内。
这一特性使其在生物组织中具有低吸收、低背景干扰的显著优势,能够在不损伤生物样本的前提下完成非侵入式磁场信号采集,同时对局部电子自旋噪声保持高度敏感响应能力。
该项研究成果不仅在技术层面提升了量子传感器的灵敏度与稳定性指标,更在战略层面打通了量子科技向生物医学领域渗透的关键通道。
据研究团队介绍,经过进一步优化完善,这一技术平台有望在量子核磁共振探测、单分子磁共振成像、生物自由基检测等多个前沿方向实现突破性应用。
未来可支撑开展细胞层面病变的实时动态监测、体内药物代谢路径的精确追踪等精准医学检测任务,为重大疾病的早期发现和个性化治疗提供全新技术手段。
业内专家认为,这一成果体现了我国科研团队在量子科技与生命科学交叉领域的创新能力,为推动量子技术从实验室走向临床应用提供了重要技术储备。
随着相关技术的持续成熟和产业化进程的加快,量子传感技术有望在未来医疗健康体系中发挥重要作用。
从基础材料创新到生物医学应用的跨越，这项研究不仅展现了我国在量子科技交叉领域的原创实力，更勾勒出未来精准医疗的新图景。
随着量子传感技术持续向微型化、智能化方向发展，人类对生命奥秘的探索将突破现有认知边界，为重大疾病防控提供全新解决方案。
这一突破性进展也启示我们，推动前沿技术产学研深度融合，正是打通科技创新"最后一公里"的关键所在。