近日，山西大學(xué)賈鎖堂教授和肖連團(tuán)教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與山西醫(yī)科大學(xué)李思進(jìn)教授、武志芳教授開展合作，基于單分子相干顯微技術(shù)在細(xì)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(xiàn)已入職山西醫(yī)科大學(xué)，分子影像山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，通訊作者為山西大學(xué)秦成兵教授、肖連團(tuán)教授，山西醫(yī)科大學(xué)武志芳教授、李思進(jìn)教授。

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

單分子熒光顯微技術(shù)不僅克服了系綜平均效應(yīng)，而且對局部微環(huán)境具有很高的靈敏度，是研究生物系統(tǒng)量子相干效應(yīng)的有效方法之一。然而，熒光自發(fā)輻射過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(zhuǎn)化為單分子的激發(fā)態(tài)布居幾率。肖連團(tuán)教授研究團(tuán)隊(duì)長期從事單分子熒光顯微成像與量子信息處理研究，近年來基于量子光場統(tǒng)計(jì)特性，在單分子水平上獲得了單個光敏化單元產(chǎn)生單線態(tài)氧的實(shí)時變化特征(The Journal of Physical Chemistry Letters,9, 5207, 2018)；發(fā)展了量子相干調(diào)制增強(qiáng)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(zhuǎn)移過程(Journal of Physical Chemistry Letters,10, 2849, 2019)。在這些工作的基礎(chǔ)上，通過結(jié)合單分子顯微和超快光譜的優(yōu)勢，引入調(diào)制解調(diào)技術(shù)，利用相對相位調(diào)制的激光脈沖對制備與操控單分子相干疊加態(tài)，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對單分子極微弱量子相干信息的有效測量。通過定義量子相干可視度(coherent visibility)來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(diào)制的單分子顯微成像?；谶@種方法，該團(tuán)隊(duì)研究了標(biāo)記染料分子的小球藻的傳統(tǒng)熒光成像與量子相干顯微成像效果。研究結(jié)果表明：1).傳統(tǒng)熒光成像受小球藻強(qiáng)自發(fā)熒光的影響，無法體現(xiàn)小球藻內(nèi)部結(jié)構(gòu)；而量子相干成像可以抑制小球藻自發(fā)熒光的影響，顯現(xiàn)小球藻內(nèi)部結(jié)構(gòu)；2).量子相干成像表現(xiàn)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(zhǔn)醫(yī)學(xué)、腫瘤診斷及其治療提供了一種新的技術(shù)手段。

該項(xiàng)目受到國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重大儀器研制項(xiàng)目、“新型光場調(diào)控物理及應(yīng)用”重大研究計(jì)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(yàn)室、極端光學(xué)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心和面上項(xiàng)目等資助。（通訊員：山西大學(xué) 祁華）