单分子量子传感器打破相干时间纪录，首次实现单个蛋白质内部成像

相干时间的挑战与解决方案

分子自旋（携带传感信息的量子态）通常会在不到10微秒的时间内失去相干性——这远不足以进行有用的测量。滑铁卢团队通过两项关键创新解决了这一问题：

改进的XYXY偶极去耦序列。 这种新的控制序列可在较宽的控制场范围内抑制电子-电子偶极相互作用，将相干时间延长至约400微秒——这在相同系统中比标准自旋回波技术长约60倍。论文第一作者、IQC博士生Sahand Tabatabaei表示：“关键挑战之一是如何让OX063自旋保持足够长的相干时间，使其有用作传感器。”

基于纳米线的机械读出。 与金刚石NV色心传感器使用的光学读出不同，SQUINT平台通过机械方式检测量子信号。纳米线探针的直径为100纳米（约为病毒大小），长度为20微米（约为人类头发直径）。这种机械检测方法在量子传感领域是全新的，它使得传感器能够比基于金刚石的传感器更贴近目标分子。

对单蛋白质成像和药物发现的意义

由于三苯甲基-OX063分子不像金刚石NV色心那样被束缚在晶体晶格中，因此能够将传感器分子直接置于目标物邻近位置，这赋予了该技术根本性的近距离优势。研究人员设想了几项强有力的应用：

• 单蛋白质结构解析。 当前的分子成像技术需要大量样本的平均信号，无法揭示单个蛋白质的独特结构。这项技术可以测量单个蛋白质内部单个原子周围的磁环境，从而实现分子层面的直接结构解析。
• 药物发现。 对单个蛋白质的精确成像可以揭示疾病如何在分子尺度上发展，以及候选药物如何与其靶点相互作用，从而可能设计出更有效的治疗方案。
• 近距离优势。 由于三苯甲基-OX063分子不受晶格束缚，可以通过化学修饰或精确定位将其置于距目标分子仅几个纳米的位置，从而提供现有平台无法比拟的分子级传感器放置控制能力。

当前状态与路线图

SQUINT传感器目前已能检测约10个核自旋的磁态。领导该研究的Raffi Budakian博士表示，团队已拥有明确的路线图，将实现单自旋灵敏度——这是绘制单分子结构所需的关键步骤。这项工作是将量子传感器用于解答生物学和医学领域经典技术无法触及的问题的切实一步。