科技日报记者 陈曦
记者4日从天津理工大学获悉，该校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。
（图片由天津理工大学提供）
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