单分子量子相干成像取得新进展，助力肿瘤诊疗与精准医学

近日，山西大学贾锁堂教授和肖连团教授带领的团队与山西医科大学李思进教授、武志芳教授开展合作，基于单分子相干显微技术在细胞的量子相干可视化研究中取得重要进展。

研究成果以“Visualizing Quantum Coherence Based on Single-Molecule Coherent Modulation Microscopy”为题于2021年2月26日发表于《纳米快报》(Nano Letters, 21, 1477, 2021)。论文第一作者为山西大学博士生周海涛(现已入职山西医科大学，分子影像山西省重点实验室)，通讯作者为山西大学秦成兵教授、肖连团教授，山西医科大学武志芳教授、李思进教授。

显微技术是人类探索微观世界的有力工具，可以帮助我们了解生命的起源和发展过程。随着人类观测世界尺度的不断缩小，已经发现了许多新奇的量子现象。例如研究表明绿色植物光合作用主要是与单个光俘获复合体的量子相干机制密切相关。在这一过程中，微环境在维持系统量子相干稳定性方面起着至关重要的作用，有助于光俘获复合体在生理环境下保持长期稳定的量子相干特性。一些其他的生理过程，包括新陈代谢(例如呼吸过程)和细胞癌变也被证实与细胞的量子相干机制密切相关。对这些细胞内量子相干机制和途径的研究将有助于揭示细胞的生理过程和疾病的发病机制。

图 (a)小球藻的传统荧光成像与(c)量子相干成像随观测时间的变化行为。(b)与(d)分别是相邻传统荧光成像与量子相干成像的差减效果。为了提高对比度，(a,c)两幅图均通过其最大值进行了归一化。

单分子荧光显微技术不仅克服了系综平均效应，而且对局部微环境具有很高的灵敏度，是研究生物系统量子相干效应的有效方法之一。然而，荧光自发辐射过程中损失了单分子的相干信息，利用荧光显微技术研究单分子相干特性需要将量子相干信息转化为单分子的激发态布居几率。

肖连团教授研究团队长期从事单分子荧光显微成像与量子信息处理研究，近年来基于量子光场统计特性，在单分子水平上获得了单个光敏化单元产生单线态氧的实时变化特征(The Journal of Physical Chemistry Letters,9, 5207, 2018)；发展了量子相干调制增强单分子显微成像的新原理与新技术(The Journal of Physical Chemistry Letters, 10, 223, 2019)；基于单分子量子相干研究了单分子与二维材料以及共轭聚合物单分子体系中的能量转移过程(Journal of Physical Chemistry Letters,10, 2849, 2019)。

在这些工作的基础上，通过结合单分子显微和超快光谱的优势，引入调制解调技术，利用相对相位调制的激光脉冲对制备与操控单分子相干叠加态，该团队实现了对单分子极微弱量子相干信息的有效测量。通过定义量子相干可视度(coherent visibility)来消除单分子偶极取向的影响，并以相干可视度为成像物理量，获得了基于量子相干调制的单分子显微成像。基于这种方法，该团队研究了标记染料分子的小球藻的传统荧光成像与量子相干显微成像效果，如图所示。研究结果表明：1).传统荧光成像受小球藻强自发荧光的影响，无法体现小球藻内部结构；而量子相干成像可以抑制小球藻自发荧光的影响，显现小球藻内部结构；2).量子相干成像表现出新奇的振荡行为，反映了小球藻呼吸作用等生理行为对单分子退相干行为的影响。该研究成果为精准医学、肿瘤诊断及其治疗提供了一种新的技术手段。

该项目受到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金重大仪器研制项目、“新型光场调控物理及应用”重大研究计划、山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室、极端光学省部共建协同创新中心和面上项目等资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c04626