2026年4月29日——日本国立量子科学技术研究开发机构（QST）与东京大学的研究人员，联合日本九州大学，共同开发了一类新型生物相容性分子量子纳米传感器（MoQNs），可在活细胞内工作。该研究证明，这些纳米传感器能够以亚细胞空间分辨率实现绝对温度测量，并在活癌细胞的细胞质和细胞核中检测到与自由基相关的自旋信号。该研究成果于2026年4月29日发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。

定量绘制活细胞内部的物理和化学状态仍是现代生物学中的一项重大挑战。现有的细胞内量子传感器，包括纳米金刚石、量子点和荧光蛋白，虽然功能强大，但通常面临材料异质性、测温特异性或生物相容性等方面的限制。

为克服这些问题，该研究团队开发了基于并五苯分子自旋量子比特的MoQNs，这些量子比特嵌入对三联苯纳米晶体中，并涂有生物相容性表面活性剂Pluronic F127。这种设计在生理条件下保持了分子级别的均匀性，同时保留了量子相干性。

与依赖硬质晶体内部缺陷形成的传统固态量子传感器不同，MoQNs通过将分子量子比特引入宿主纳米晶体而构建，无需产生空位。这显著降低了颗粒间的光谱变异性，并提高了细胞内单颗粒绝对温度测量的可靠性。该团队首先确认，MoQNs可被引入活细胞而保持细胞活力。在多项检测中，含有MoQNs的细胞维持了质膜完整性、代谢活性和细胞周期进程，表明这些颗粒与活细胞测量兼容。

随后，研究人员展示了MoQNs在细胞内保留量子功能的能力，包括连续波光探测磁共振（ODMR）检测、拉比振荡、自旋回波测量和T1弛豫测量。为提高测温精度，该工作进一步在分子层面通过引入全氘代并五苯来调控电子-核相互作用，从而设计了ODMR光谱，由此创建了dMoQNs。

利用dMoQNs，该团队实现了对活癌细胞细胞质内绝对温度的高精度传感。该工作还发现，细胞内温度始终高于周围介质，且呈现位置依赖性。研究人员随后将该方法扩展到细胞器特异性测量。通过将dMoQNs递送至活癌细胞的细胞核中，该团队得以绘制多个核内位置的绝对温度图，并观察到细胞核内的局部热异质性。

除温度传感外，MoQNs平台还实现了活细胞内自由基相关外部自旋的检测。在用过氧化氢诱导自由基生成条件后，研究人员观察到细胞质和细胞核中自旋弛豫和相干性的斑点依赖性变化，表明这些传感器既能报告细胞内氧化还原相关环境，也能报告温度。

综上所述，这些发现确立了MoQNs作为活细胞中量子传感的化学多功能平台。

QST量子生物工程团队负责人Ishiwata博士表示：“这项工作表明，MoQNs可直接在活细胞内工作，同时保持绝对测温所需的精度。该团队相信，这为细胞内环境的定量量子测量开辟了一条新途径。”

通过结合分子级别的可调性、生物相容性以及在生理条件下稳健的自旋读出能力，MoQNs为纳米尺度测温、细胞内生化传感以及未来量子驱动的生物和医学测量开辟了新机遇。