量子生物學致力于揭示生命活動背后的量子力學機制，而精準施加并實時監測微弱磁場，是捕捉自由基對等量子效應的關鍵前提。近日，國際期刊《Nature Photonics》發表了一項突破性成果：由英國牛津大學與日本埼玉大學聯合開發的“磁熒光漲落顯微光譜技術（MFFMS）”，首次在接近單分子水平的觀測體積內，實現了微弱磁場效應的探測。值得關注的是，研究中涉及的外加磁場全程由Lake Shore F71特斯拉計進行精確監控，F71憑借TruZero™免校零技術、開機即測、主動溫度補償及便捷操作等核心性能，確保了0–15 mT實驗磁場條件的準確性與穩定性，為量子生物學研究提供了堅實的技術保障。

突破性研究：在平均23個分子的觀測體積內捕捉量子信號

量子生物學重要方向之一是解析生命活動內在的量子自旋機制，而生物系統中自由基對產生的磁場效應通常低于1%，極易被背景噪聲淹沒，因此對生物體系中自由基對及其量子特性的理解仍處于初級階段。該團隊創新性開發的磁熒光漲落顯微光譜技術（MFFMS），依托兩套互補探測光路完成微弱磁效應定量表征，全部磁場環境由 F71 特斯拉計實時精確監控。

該技術利用對單光子敏感的單光子雪崩二極管（SPAD）探測器，成功測量了約7個光子水平熒光信號上約-1%的磁場效應。通過熒光相關光譜（FCS）標定，確認該測量是在共聚焦體積（0.54 fL）內平均約23個分子上完成的，并由此獲得了很高的信噪比。此外，采用 EMCCD 相機作為檢測系統，結合創新的后處理數字鎖相放大器（DLIA），實現相位敏感檢測，上述特性已通過模型生物系統中的自由基對光化學反應得到驗證。該儀器揭示了磁場效應下光降解作用對蛋白質-黃素相互作用的重要性，這一發現對于在生物環境中探尋類似量子效應具有關鍵意義。

圖1 | MFFMS實驗原理示意圖

a. MFFMS技術的生物學應用示意。以高靈敏度和多種定量方法揭示生物學中的量子效應。

b. 顯微光譜儀的電學和光學組件示意圖。詳見正文。縮略語（按字母順序排列）：AOTF為聲光可調濾波器；BP1和BP2為帶通濾光片；C1和C2為磁場線圈；CL為準直透鏡；C/T為計數器/定時器單元；DG為延遲發生器；DL為二極管激光器；DM1和DM2為二向色鏡；EMCCD為電子倍增電荷耦合器件相機；FC為光纖耦合器；FL1和FL2為聚焦透鏡；FM為翻轉鏡；FS為流動樣品池載玻片；FW為濾光片輪；λ/2為半波片；M1和M2為反射鏡；MS為電動快門；OL為物鏡；PBS為偏振分束立方體；PC為個人計算機；PH為針孔；(P)SM為（保偏）單模光纖；PSU為電源單元；SC為超連續譜光源；SP為注射泵；SPAD為單光子雪崩二極管探測器；VND為可變中性密度濾光片。

c. MFFMS的光物理原理示意圖。

d. SPAD檢測方法示意圖，展示數據采集及結果背后的原理。

e. DLIA概念及結果示意圖。

在黃素單核苷酸（FMN）與蛋白溶菌酶（HEWL）的模型體系中，通過對共聚焦體積內平均約23個分子的熒光信號分析，在約7個光子水平的信號強度下，FMN（200 nM）與蛋白質HEWL（0.5 mM）之間的光誘導化學反應中，觀察到了約-1%的磁場效應（MFE）。研究團隊在0至約15 mT的磁場范圍內測量了磁致反應產率（MARY）譜 ，實驗數據與純量子自旋動力學模擬高度吻合。

圖2 | SPAD檢測模式下模型體系的磁場效應

a. 常用光電探測器效率與探測范圍示意圖。SPAD探測器在低光強條件下具有優異的探測量子效率。

b. SPAD檢測的磁致反應產率（MARY）譜，約7個光子水平的熒光信號對應于黃素蛋白（FMN（200 nM）和HEWL（0.5 mM））的光化學反應。熒光監測波長范圍500 nm至600 nm，流速100μL/min。紫紅色曲線為自旋動力學模擬結果。

c. FMN光降解為光黃素（LF）和光色素（LC）的反應路徑示意圖。LC在我們所用激發波長（450 nm）處無吸收。圖中標注了關鍵結構特征。BSA蛋白的三個α-螺旋結構域（I、II和III），每個結構域分別由兩個亞結構域（A和B）組成，依次以紅色（IA）、橄欖綠（IIA）、藍色（IIIA）、橙色（IB）、棕色（IIB）和青色（IIIB）表示。PDB編號：3V03，分子量66.5 kDa。HEWL蛋白及其靜電表面電勢如圖所示，紅色和藍色分別代表負電荷和正電荷（使用VMD中的APBS插件計算）。PDB編號：3ZEK，分子量14.4 kDa。

d. FMN在無蛋白、含HEWL和含BSA條件下的熒光光譜變化（熒光強度分別降低37%和80%）。

e. FMN在無蛋白、含HEWL和含BSA條件下的熒光壽命。所有條件下熒光壽命均保持不變（約5 ns），這是形成基態復合物（靜態猝滅）的典型特征。

f. 兩種蛋白質-配體復合物的熒光各向異性測量結果。BSA-FMN表現為典型的特異性結合，具有一個結合位點（Hill斜率 = 1.33 ± 0.06）。相比之下，HEWL-FMN呈現顯著的非特異性結合模式，與其表面相互作用機制一致。

g. 流速對HEWL-FMN和BSA-FMN磁場效應的影響。灰色陰影區域表示[LF] > [FMN]的區間，橙色陰影區域表示[FMN] > [LF]的區間。所示特征的詳細描述見正文。圖d和e的數據由濱松Quantaurus-Tau熒光壽命測量系統采集。圖b、f和g所示實驗數據均采用方法部分（材料部分）所述市售樣品，進行四次技術重復測量獲得。圖b和g中數據以平均值±標準誤（s.e.m.）表示。圖f中數據以平均值±標準差（s.d.）表示。

MFE與DLIA檢測結合，從“看到”到“看清”

研究團隊還利用EMCCD相機與創新性“后處理數字鎖相放大器（DLIA）”技術，實現了從“看到磁場效應”到“量化分析磁場效應的時間動力學”的跨越，為在復雜生物環境中精準定位和定量分析磁敏感位點提供了關鍵技術手段。

圖3 | EMCCD檢測模式下的磁場效應與后處理數字鎖相檢測

a. 觸發方案示意圖。其中EMCCD作為主觸發器（100 ms），控制磁場線圈電源（2 s開啟，2 s關閉）和泵浦光束快門（連續波模式）。

b. EMCCD探測的FMN（2 μM）與HEWL（0.5 mM）體系磁場效應。熒光監測波長范圍為500 nm至600 nm，流速為100 μL/min，30分鐘內共采集16,800幀圖像。

c. 數字鎖相放大分析（DLIA）方法。原始數據依次經過高通濾波器（HPF，0.2 Hz）和10階中值濾波器（MF）處理后得到DLIA數據。隨后對DLIA數據進行快速傅里葉變換（FFT）和逆快速傅里葉變換（IFFT），以獲取磁場效應的上升速率（krise = 4.76 ± 0.98 s?¹）和衰減速率（kdecay = 5.08 ± 0.95 s?¹），其響應時間為200 ms。

圖b所示的實驗數據均采用方法部分（材料部分）所述的市售樣品，進行四次技術重復測量獲得。圖b中數據以平均值±標準差（s.d.）表示。

BSA-FMN模型體系

在由F71特斯拉計保障的穩定磁場環境下，MFFMS技術還揭示了一項重要發現。在牛血清白蛋白（BSA）與黃素單核苷酸（FMN）的復合體中，FMN結合在蛋白口袋2內，與色氨酸殘基W211的邊到邊距離僅4 Å，形成了與鳥類隱花色素磁感應機制高度相似的“單重態起源的自由基對”。這一發現使BSA-FMN復合體有望成為研究量子生物學的廉價且易操作的模型體系。此外，研究進一步揭示了光降解會通過改變黃素側鏈結構，顯著影響蛋白質-配體結合及自由基對自旋動力學——這一發現對于在細胞環境中尋找類似量子效應至關重要。

圖4 | BSA–FMN復合物的競爭結合實驗與模擬

a. 四次分子對接模擬結果，共生成40個BSA–FMN復合物。圖中展示了口袋1和口袋2，分別位于亞結構域IIIA、IB、IIIB和IIIA、IIB。插圖：口袋2的放大圖，展示四個對接的FMN殘基及BSA蛋白的W211殘基。

b. 口袋2的對接模擬結構與BSA–萘普生（NPS）復合物晶體結構（PDB編號：4OR0）的疊加圖。

c. 通過FMN（20 μM）與NPS在BSA蛋白（0.5 mM）上的競爭結合實驗實現的FMN熒光強度恢復。其中，F0為未加入NPS時BSA–FMN復合物的熒光強度。

d. 對接模擬的結合相互作用分析（其余三次模擬結果見補充信息）。結果表明，大多數結合相互作用發生在蛋白質與核糖醇基/磷酸基側鏈之間。

e. 分子動力學（MD）模擬過程中FMN與W211的質心間距分布。詳見正文。

圖c所示的實驗數據均采用方法部分（材料部分）所述市售樣品，進行四次技術重復測量獲得。圖c中數據以平均值±標準差（s.d.）表示。

核心保障：F71特斯拉計精準監控磁場條件

在此類高靈敏度實驗中，外加磁場的精確性是實驗結果可信度的基石。即使微小的磁場偏差，也可能導致自由基對自旋動力學的顯著變化，進而影響對生物量子效應的判斷。研究團隊在自制的亥姆霍茲線圈系統中，專門配備了Lake Shore F71特斯拉計，對實驗磁場進行實時、高精度監測，確保0-15 mT外加磁場的準確設定與穩定維持，上升時間控制在20 ms以內。F71 特斯拉計的優異性能，為MFFMS技術探測百分比級別的微弱磁場效應提供了有力保障。

Lake Shore F71特斯拉計：高精度磁場測量的理想選擇

F71特斯拉計是Lake Shore公司推出的一款高性能磁場測量儀器，廣泛應用于磁性材料生產、磁體質量控制、磁體分選、電磁場控制、交流磁場測量、核磁及其他超導磁體測量、計量檢驗、科學研究等多個關鍵領域。在本研究中，F71特斯拉計被集成至自建MFFMS平臺的亥姆霍茲線圈系統中，用于實時精確監控外加磁場，確保10 mT實驗磁場條件的準確性與穩定性。

其主要技術特點包括：

• 無需校零 精準測量：F71/F41系列特斯拉計搭載的TruZero™ 技術，無需進行校零操作，即可快速、準確地進行無憂且長時間的測量，從根源上解決了這些問題。

• 無需預熱 即開即測：F71和F41特斯拉計采用具有低溫度系數的高穩定性組件，從硬件層面消除了預熱需求。開機后，用戶可立即獲取準確的讀數，在現場測量等場景中，無需考慮預熱因素，顯著提高了測量的及時性和便捷性。

• 主動溫度補償 穩定輸出數據：F71/F41 系列特斯拉計具有主動溫度補償特性。每個探頭頂端都集成一個溫度傳感器，可將溫度數據傳送到特斯拉計上。儀器根據這些讀數確定溫度偏移，并在標準工作場所環境溫度范圍內對其進行自動補償，確保數據測量不受溫度變化的干擾，可在各種工作條件下精確讀取現場讀數。

• 人性化設計 如智能手機般便捷操作：F71 和 F41 特斯拉傳感器在操作設計上充分考慮用戶體驗，配備整潔的觸摸顯示屏和特殊的 TiltView™屏幕。其操作界面遵循智能手機技術標準，圖標、手勢和菜單樣式簡潔直觀。TiltView™允許用戶手動調整屏幕視角，從而在與觸摸屏交互時能夠獲得更清晰的視圖，提高準確性。

參考文獻：

[1] Antill, L.M., Kohmura, M., Jimbo, C. et al. Introduction of magneto-fluorescence fluctuation microspectroscopy for investigating quantum effects in biology. Nat. Photon. 19, 178–186 (2025).