原标题：天津大学精密仪器与光电子工程学院栗大超QUTE：弱磁生物测量的广泛应用前景

　　摘要：团队综述了超导量子干涉器件磁力计、自旋交换无弛豫原子磁计和金刚石氮空位中心3种具有代表性的量子磁场传感器的最新进展，系统分析了这些传感器的优点和局限性，介绍了在心磁图、脑磁图、神经元动作电位检测、活细胞磁成像等方面的典型应用。量子传感器有望成为生物医学系统表征和诊断的关键工具。

　　关键词：超导量子干涉磁力计, 自旋交换无弛豫原子磁计, 金刚石氮空位中心，生物传感

　　心脏、肌肉、大脑和周围神经系统神经元活动的生物磁信号无创检测，是一种非常有前景的用于早期临床诊断和神经科学研究的方法。与地球磁场（约为48μT）相比，这些微弱的生物磁性信号大多在fT量级难以被准确测量。经过表面修饰的磁性纳米颗粒与病原菌，肿瘤标志物，蛋白质核酸和其他生物分子偶联具有亲和力，可用作床旁检测中的磁性标签。提高磁免疫测量的检出限对于实现疾病早期诊断也至关重要。此外，监测单个活细胞在环境条件下的磁场变化对于解决细胞生物学和生物医学中的一系列关键问题至关重要。因此，有必要在纳米尺度上开发一种新型的磁传感和成像平台。对于传统的磁场传感器，例如搜索线圈，磁通门，磁阻效应，霍尔效应，和磁电传感器，它们在灵敏度和空间分辨率上都存在局限性。相较于传统测量，基于量子的磁场传感器显示出克服上述限制的巨大潜力。不同类型的量子磁场传感器可以提供低至fT量级的磁场灵敏度和纳米级空间分辨率。本文综述了超导量子干涉（SQUID）磁力计、自旋交换无弛豫（SERF）原子磁计和金刚石中的氮空位中心（NV）这3种典型的量子磁传感器的最新进展和应用。

　　天津大学精密仪器与光电子工程学院栗大超团队首先简要介绍了三种量子磁传感器的基本原理，讨论了三种量子磁传感器的能量分辨率极限，比较了三种量子传感器的灵敏度和空间分辨率。在不同的生物传感场景下，选择磁传感器时应考虑灵敏度和空间分辨率的平衡。然后重点介绍了SQUID磁力计的阵列配置用于心磁和脑磁测量，SERF原子磁力计的可穿戴应用和NV磁力计实现纳米尺度的生物磁性成像。SQUID磁力计仍然是心磁和脑磁测量最常用的商用磁传感器，它们在1fT/Hz 1/2 以下具有最佳灵敏度。基于SQUID磁力计和磁性标记物的磁免疫分析诊断也已被开发用于体外和体内医学诊断应用。然而，低温工作环境和磁屏蔽室的要求限制了其在医院内的广泛应用。SERF原子磁力计不依赖低温环境，允许定制传感器阵列，在测量来自大脑，心脏，肌肉，周围神经，脊髓，视网膜和胎儿的电生理信号方面显示出很高的潜力。与SQUID磁力计相比，SERF原子磁力计的相对较低的灵敏度可以通过更接近待测物来补偿（使SERF原子磁力计具有信噪比优势）。SQUID磁力计和SERF原子磁力计的一个突出缺点是它们较低的空间分辨率不足以在细胞水平上进行磁场测量。NV磁力计可以通过在室温下初始化和读取自旋状态，为单细胞传感和成像提供一个多功能平台。NV磁力计已经在趋磁细菌、金属蛋白分子和神经元网络的磁成像上展现了其优越性。最后讨论了考虑了基于量子的磁场传感器在生物科学领域的未来发展方向，包括SQUID和SERF原子磁力计的小型化、NV磁力计在活细胞内的生物相容性和稳定性以及与微流控、微机电系统和表面功能化策略的结合，用于开发便携式经济的生物传感系统。

　　Advanced Quantum Technologies （QUTE）是Wiley量子领域旗舰刊，旨在发表经同行评议的高质量高影响力研究论文，范围涵盖量子计算、量子通讯、量子信息、量子光学以及拓扑材料、超导、超冷原子等相关领域的理论、实践及应用相关工作。