近日，山西大學(xué)賈鎖堂教授和肖連團教授帶領(lǐng)的團隊與山西醫科大學(xué)李思進(jìn)教授、武志芳教授開(kāi)展合作，基于單分子相干顯微技術(shù)在細胞的量子相干可視化研究中取得重要進(jìn)展。研究成果以“Visualizing Quantum Coherence Based on Single-Molecule Coherent Modulation Microscopy”為題于2021年2月26日發(fā)表于《納米快報》(Nano Letters, 21, 1477, 2021)。論文第一作者為山西大學(xué)博士生周海濤(現已入職山西醫科大學(xué)，分子影像山西省重點(diǎn)實(shí)驗室)，通訊作者為山西大學(xué)秦成兵教授、肖連團教授，山西醫科大學(xué)武志芳教授、李思進(jìn)教授。

顯微技術(shù)是人類(lèi)探索微觀(guān)世界的有力工具，可以幫助我們了解生命的起源和發(fā)展過(guò)程。隨著(zhù)人類(lèi)觀(guān)測世界尺度的不斷縮小，已經(jīng)發(fā)現了許多新奇的量子現象。例如研究表明綠色植物光合作用主要是與單個(gè)光俘獲復合體的量子相干機制密切相關(guān)。在這一過(guò)程中，微環(huán)境在維持系統量子相干穩定性方面起著(zhù)至關(guān)重要的作用，有助于光俘獲復合體在生理環(huán)境下保持長(cháng)期穩定的量子相干特性。一些其他的生理過(guò)程，包括新陳代謝(例如呼吸過(guò)程)和細胞癌變也被證實(shí)與細胞的量子相干機制密切相關(guān)。對這些細胞內量子相干機制和途徑的研究將有助于揭示細胞的生理過(guò)程和疾病的發(fā)病機制。

單分子熒光顯微技術(shù)不僅克服了系綜平均效應，而且對局部微環(huán)境具有很高的靈敏度，是研究生物系統量子相干效應的有效方法之一。然而，熒光自發(fā)輻射過(guò)程中損失了單分子的相干信息，利用熒光顯微技術(shù)研究單分子相干特性需要將量子相干信息轉化為單分子的激發(fā)態(tài)布居幾率。肖連團教授研究團隊長(cháng)期從事單分子熒光顯微成像與量子信息處理研究，近年來(lái)基于量子光場(chǎng)統計特性，在單分子水平上獲得了單個(gè)光敏化單元產(chǎn)生單線(xiàn)態(tài)氧的實(shí)時(shí)變化特征(The Journal of Physical Chemistry Letters,9, 5207, 2018)；發(fā)展了量子相干調制增強單分子顯微成像的新原理與新技術(shù)(The Journal of Physical Chemistry Letters, 10, 223, 2019)；基于單分子量子相干研究了單分子與二維材料以及共軛聚合物單分子體系中的能量轉移過(guò)程(Journal of Physical Chemistry Letters,10, 2849, 2019)。在這些工作的基礎上，通過(guò)結合單分子顯微和超快光譜的優(yōu)勢，引入調制解調技術(shù)，利用相對相位調制的激光脈沖對制備與操控單分子相干疊加態(tài)，該團隊實(shí)現了對單分子極微弱量子相干信息的有效測量。通過(guò)定義量子相干可視度(coherent visibility)來(lái)消除單分子偶極取向的影響，并以相干可視度為成像物理量，獲得了基于量子相干調制的單分子顯微成像?；谶@種方法，該團隊研究了標記染料分子的小球藻的傳統熒光成像與量子相干顯微成像效果。研究結果表明：1).傳統熒光成像受小球藻強自發(fā)熒光的影響，無(wú)法體現小球藻內部結構；而量子相干成像可以抑制小球藻自發(fā)熒光的影響，顯現小球藻內部結構；2).量子相干成像表現出新奇的振蕩行為，反映了小球藻呼吸作用等生理行為對單分子退相干行為的影響。該研究成果為精準醫學(xué)、腫瘤診斷及其治療提供了一種新的技術(shù)手段。

該項目受到國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重大儀器研制項目、“新型光場(chǎng)調控物理及應用”重大研究計劃、山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗室、極端光學(xué)省部共建協(xié)同創(chuàng )新中心和面上項目等資助。（通訊員：山西大學(xué) 祁華）