量子傳感器可檢測細胞溫度變化

參考消息網8月21日報道 據《日本經濟新聞》網站8月17日報道，日本量子科學技術研究開發機構(QST)將批量生產一款有助於探查疾病的量子傳感器。該傳感器能以極高精度測量人體細胞內部的溫度。QST計劃於2028年建成量產體系，實現年產可滿足6萬至10萬人檢測需求的傳感器規模，併力爭2030年前通過企業合作實現該技術的商業化應用。

量子傳感器是一種將原子級別以下的量子微觀物理現象應用於產業的量子技術。作爲量子技術的代表，量子計算機廣爲人知。一旦其投入使用，有望大幅超越現有傳感器的性能極限。

量子傳感器的特點在於能以極高的靈敏度測量溫度等指標，傳統傳感器無法與之相提並論。QST致力於將其應用於醫療領域。細胞內部活動常伴隨熱量或酸鹼度變化。若能對這些微觀變化實現精細觀測，便有望在極早期階段發現疾病徵兆。

傳統的傳感器技術無法測量單個細胞內的溫度變化，而量子傳感器則可有效解決這一難題。

QST的五十嵐龍治團隊利用含微量氮的金剛石量子傳感器，成功實現了對細胞溫度變化的高精度測量。在氮元素附近存在特殊晶格結構，其周圍的電子等量子狀態易受環境變化影響。當受到綠色激光照射時，該結構會發出紅色熒光。

將量子傳感器置入細胞內部後，細胞溫度等變化會引起金剛石晶格中電子狀態的改變。在固定激光照射強度下，這些狀態變化將體現爲熒光強度的波動，通過分析紅光強度波動幅度即可推算出溫度等信息。

五十嵐表示：“目前我們已能識別出單個細胞內發生的約0.1攝氏度的溫度變化。”

理論上，該技術甚至能檢測0.01攝氏度的微小波動。由碳元素構成的金剛石化學性質穩定，對生物體產生的毒性較低。

已有研究成果顯示，病變細胞與正常細胞的溫度存在差異。若能更深入研究病變細胞內部的溫度等參數變化，將有望實現高精度的惡性腫瘤分級和藥物療效預測。

此外，研究者還在探索將量子傳感器用於檢測某些極低濃度的疾病標誌物，以輔助臨牀診斷。例如，阿爾茨海默病患者血液中相關物質的濃度極低，現有技術難以檢測，目前通常需通過脊髓穿刺取樣，給患者帶來較大負擔。而高靈敏度的量子傳感器有望僅憑血液樣本完成檢測，從而達到減輕患者痛苦的效果。

QST計劃量產多款功能和尺寸的傳感器，最小尺寸或達5納米。相關製造工藝開發已完成，團隊正在致力於進一步提高傳感器靈敏度。

藉助日本內閣府的研發項目，QST着力提升量子傳感器的產能。目前年供應量約爲10克，到2028年預計增至520克。傳感器極其微小輕便，因此該產量可滿足至少6萬至10萬人的檢測需求。

QST的目標是，未來進一步減少檢測所需的傳感器用量，並通過與企業合作推進批量生產和品質控制等方面的技術開發。

QST今後將與初創企業合作，推廣可匹配量子傳感器的測量設備，推動相關機構引進該設備，逐步構建量子傳感器供應體系，促進該技術在產業界的普及。

全球信息公司發佈的報告指出，到2030年，量子傳感器市場規模將達10億至20億美元。日本內閣府於2023年出臺“量子未來產業創造戰略”，提出到2030年國內量子技術使用者達到1000萬人的目標。

量子傳感技術的應用不僅限於生命科學領域，在其他方面也有廣闊應用前景。以極其堅固的金剛石爲材料的傳感器，還可應用於宇宙探測等嚴苛環境。

此外，若將現有電動汽車、智能手機等設備搭載的傳統傳感器替換爲高靈敏度量子傳感器，有望大幅減少傳感器數量。（編譯/馬曉雲）