天津理工大学团队： 给量子传感器穿上“保护衣” ，攻克量子生物探测关键难题

近日，天津理工大学集成电路科学与工程学院青年教师李培与中国科学技术大学、北京计算科学研究中心及匈牙利Wigner物理研究中心合作，在量子传感技术领域取得重要突破，为量子探测走向生命科学应用奠定了理论基础。相关研究成果发表在国际期刊《自然材料》上。

量子传感器凭借超高的磁场灵敏度，被誉为“纳米尺度的听诊器”，可捕捉极微弱磁场信号，在医学检测、生命科学研究中潜力巨大。目前应用最广的是金刚石氮-空位色心量子传感器，它虽能在室温工作，但需532纳米绿光激发，该波段易被生物体内水和有机分子吸收，还会引发组织自发发光与局部发热，严重干扰探测信号，极大限制了其在活体中的应用。

对此，研究团队将目光转向半导体产业成熟的碳化硅材料。碳化硅不仅晶圆工艺完善，还具备优异生物兼容性，其激发与发射波段处于近红外“第二生物窗口”，该波段生物组织吸收少、自发荧光弱、光穿透能力更强，用于量子探测如同在体内打出一束精准“手电筒”，探测更深、干扰更小。

但碳化硅量子传感同样存在应用瓶颈：传统材料表面处理易产生随机碳团簇和深能级缺陷，如同传感器表面长出“杂草”，严重影响量子比特稳定性与探测精度。

为此，团队创新性采用低温烯烃分子化学修饰方法，在碳化硅表面构建出一层有机碳链保护层，相当于为量子传感器量身定制一件“保护衣”。这件“保护衣”既能有效抑制表面陷阱态对色心量子比特的干扰，又能维持材料电学结构稳定。实验证实，可显著改善量子比特退相干与荧光闪烁问题，让传感器性能更稳定可靠。

依托该表面分子工程技术，团队成功搭建室温稳定运行的生物惰性量子传感平台，其激发、发射波段均落在近红外生物窗口，具备低吸收、低背景荧光优势，适合在复杂生物环境中开展非侵入式磁场信号探测，且对局部电子自旋噪声响应高度灵敏。

此项研究不仅提升了量子传感器的灵敏度与稳定性，更打通了量子技术通往生物医学应用的关键通道。该技术经优化后，未来可应用于量子核磁共振探测、单分子磁共振成像、自由基检测等前沿领域，有望实现细胞层面病变实时监测、体内药物作用路径追踪等精准医学检测。

李培表示，将分子层级界面工程引入量子传感器设计，是重要发展方向，既提升了室温下器件稳定性，又让量子传感更适配真实生物环境。该方法为室温生物量子传感提供可行路径，也为宽禁带半导体量子器件界面工程提供全新设计思路。

审核编辑 黄宇