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

顯微技術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展過程。隨著人類觀測世界尺度的不斷縮小，已經發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光俘獲復合體的量子相干機制密切相關。在這一過程中，微環境在維持系統量子相干穩定性方面起著至關重要的作用，有助于光俘獲復合體在生理環境下保持長期穩定的量子相干特性。一些其他的生理過程，包括新陳代謝(例如呼吸過程)和細胞癌變也被證實與細胞的量子相干機制密切相關。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程和疾病的發病機制。

單分子熒光顯微技術不僅克服了系綜平均效應，而且對局部微環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，熒光自發輻射過程中損失了單分子的相干信息，利用熒光顯微技術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態布居幾率。肖連團教授研究團隊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計特性，在單分子水平上獲得了單個光敏化單元產生單線態氧的實時變化特征(The Journal of Physical Chemistry Letters,9, 5207, 2018)；發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(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程(Journal of Physical Chemistry Letters,10, 2849, 2019)。在這些工作的基礎上，通過結合單分子顯微和超快光譜的優勢，引入調制解調技術，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，該團隊實現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制的單分子顯微成像。基于這種方法，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熒光的影響，無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、腫瘤診斷及其治療提供了一種新的技術手段。

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