上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院講席教授、李政道研究所雙聘研究員張衛(wèi)平與助理研究員包谷之等組成的團隊繼最近在Science子刊發(fā)表“量子孿生干涉儀”工作之后，再次取得突破，將該工作的原理應(yīng)用于生物分子手性甄別之中，突破了傳統(tǒng)光學(xué)手性測量技術(shù)的極限。相關(guān)研究工作以“Quantum-elevated Chiral Discrimination for Biomolecues”為題,近日發(fā)表于國際權(quán)威雜志《Science Advances》。

▲圖1 量子增強手性甄別實驗架構(gòu)

手性是隱藏在物理、化學(xué)與生命體系中一種奇妙的鏡像對稱性破缺現(xiàn)象。光學(xué)手性甄別是揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)“左手”和“右手”手性差異的核心技術(shù)之一，在基礎(chǔ)科學(xué)、藥物研發(fā)、醫(yī)學(xué)診斷、不對稱催化以及生命手性起源探索等領(lǐng)域，扮演著不可替代的角色。然而，該技術(shù)的測量靈敏度和精度長期受限于激光光源的標(biāo)準(zhǔn)量子極限，這一物理限制成為光敏生物樣品超靈敏無損檢測的原理瓶頸。量子精密測量技術(shù)的發(fā)展為最終打破這一瓶頸提供了全新的途徑。

在光敏生物傳感的實際應(yīng)用中，無損探測與高靈敏度往往難以雙向兼顧。受標(biāo)準(zhǔn)量子極限的制約，為提高檢測靈敏度通常需要增強探測激光的強度，而結(jié)果會引發(fā)顯著的光熱效應(yīng)并加劇光化學(xué)反應(yīng)，從而對生物樣品造成損傷。受此矛盾制約，傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)難以在低濃度生物手性樣品中實現(xiàn)有效的精準(zhǔn)、無損手性甄別。上海交通大學(xué)張衛(wèi)平教授團隊長期致力于量子精密測量研究。在此基礎(chǔ)上，近來發(fā)展出“量子孿生干涉儀”[Sci. Adv. 11, eaea0816 (2025)]，兼具量子噪聲抑制與高靈敏度特征。在量子孿生干涉儀的范式下，該團隊進(jìn)一步拓展偏振自由度的糾纏，制備出可用于手性測量的量子探針。

基于該探針與手性分子的旋光色散相互作用，通過偏振關(guān)聯(lián)探測實現(xiàn)微弱偏振旋轉(zhuǎn)信號的高精度和高靈敏度探測，從而完成不同異構(gòu)體的甄別及對映體過量檢測。在同等光強條件下，相較于傳統(tǒng)激光探針，該量子探針的信噪比提升了5 dB，其可分辨的手性分子最低濃度也降至前者的約三分之一。此項研究為量子精密測量與生物、化學(xué)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的交叉融合，開拓了新的前景。

▲圖2 基于相干光（左圖）與糾纏光（右圖）探針的手性甄別實驗對比

▲圖3基于相干光（左）與糾纏光（右）探針的異構(gòu)體過量檢測實驗對比

上海交通大學(xué)為第一署名單位，博士后楊一泉為該文章第一作者，包谷之和張衛(wèi)平為共同通訊作者，其他作者分別為胡曉龍、杜威、吳書賀、楊培玉。研究獲得合肥國家實驗室、上海市量子科學(xué)研究中心、國家自然科學(xué)基金委、量子科技創(chuàng)新2030計劃、科技部重點研發(fā)計劃、教育部、上海市科委和中國博士后基金會等支持。

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