Nature Photonics重大突破！F71特斯拉计赋能磁荧光波动显微光谱技术，实现生物量子效应精准探测

发布日期：2026-07-16

量子生物学致力于揭示生命活动背后的量子力学机制，而精准施加并实时监测微弱磁场，是捕捉自由基对等量子效应的关键前提。近日，国际顶级期刊《Nature Photonics》发表了一项突破性成果：由英国牛津大学与日本埼玉大学联合开发的“磁荧光涨落显微光谱技术（MFFMS）”，首次在接近单分子水平的观测体积内，实现了微弱磁场效应的探测。值得关注的是，研究中涉及的外加磁场全程由Lake Shore F71特斯拉计进行精确监控，F71凭借TruZero™免校零技术、开机即测、主动温度补偿及便捷操作等核心性能，确保了0–15 mT实验磁场条件的准确性与稳定性，为量子生物学研究提供了坚实的技术保障。

突破性研究：在平均23个分子的观测体积内捕捉量子信号

量子生物学重要方向之一是解析生命活动内在的量子自旋机制，而生物系统中自由基对产生的磁场效应通常低于1%，极易被背景噪声淹没，因此对生物体系中自由基对及其量子特性的理解仍处于初级阶段。该团队创新性开发的磁荧光涨落显微光谱技术（MFFMS），依托两套互补探测光路完成微弱磁效应定量表征，全部磁场环境由 F71 特斯拉计实时精确监控。

该技术利用对单光子敏感的单光子雪崩二极管（SPAD）探测器，成功测量了约7个光子水平荧光信号上约-1%的磁场效应。通过荧光相关光谱（FCS）标定，确认该测量是在共聚焦体积（0.54 fL）内平均约23个分子上完成的，并由此获得了极高的信噪比。此外，采用 EMCCD 相机作为检测系统，结合创新的后处理数字锁相放大器（DLIA），实现相位敏感检测，上述特性已通过模型生物系统中的自由基对光化学反应得到验证。该仪器揭示了磁场效应下光降解作用对蛋白质-黄素相互作用的重要性，这一发现对于在生物环境中探寻类似量子效应具有关键意义。

图1 | MFFMS实验原理示意图

a. MFFMS技术的生物学应用示意。以高灵敏度和多种定量方法揭示生物学中的量子效应。

b. 显微光谱仪的电学和光学组件示意图。详见正文。缩略语（按字母顺序排列）：AOTF为声光可调滤波器；BP1和BP2为带通滤光片；C1和C2为磁场线圈；CL为准直透镜；C/T为计数器/定时器单元；DG为延迟发生器；DL为二极管激光器；DM1和DM2为二向色镜；EMCCD为电子倍增电荷耦合器件相机；FC为光纤耦合器；FL1和FL2为聚焦透镜；FM为翻转镜；FS为流动样品池载玻片；FW为滤光片轮；λ/2为半波片；M1和M2为反射镜；MS为电动快门；OL为物镜；PBS为偏振分束立方体；PC为个人计算机；PH为针孔；(P)SM为（保偏）单模光纤；PSU为电源单元；SC为超连续谱光源；SP为注射泵；SPAD为单光子雪崩二极管探测器；VND为可变中性密度滤光片。

c. MFFMS的光物理原理示意图。

d. SPAD检测方法示意图，展示数据采集及结果背后的原理。

e. DLIA概念及结果示意图。

在黄素单核苷酸（FMN）与蛋白溶菌酶（HEWL）的模型体系中，通过对共聚焦体积内平均约23个分子的荧光信号分析，在约7个光子水平的信号强度下，FMN（200 nM）与蛋白质HEWL（0.5 mM）之间的光诱导化学反应中，观察到了约-1%的磁场效应（MFE）。研究团队在0至约15 mT的磁场范围内测量了磁致反应产率（MARY）谱 ，实验数据与纯量子自旋动力学模拟高度吻合。

图2 | SPAD检测模式下模型体系的磁场效应

a. 常用光电探测器效率与探测范围示意图。SPAD探测器在低光强条件下具有优异的探测量子效率。

b. SPAD检测的磁致反应产率（MARY）谱，约7个光子水平的荧光信号对应于黄素蛋白（FMN（200 nM）和HEWL（0.5 mM））的光化学反应。荧光监测波长范围500 nm至600 nm，流速100μL/min。紫红色曲线为自旋动力学模拟结果。

c. FMN光降解为光黄素（LF）和光色素（LC）的反应路径示意图。LC在我们所用激发波长（450 nm）处无吸收。图中标注了关键结构特征。BSA蛋白的三个α-螺旋结构域（I、II和III），每个结构域分别由两个亚结构域（A和B）组成，依次以红色（IA）、橄榄绿（IIA）、蓝色（IIIA）、橙色（IB）、棕色（IIB）和青色（IIIB）表示。PDB编号：3V03，分子量66.5 kDa。HEWL蛋白及其静电表面电势如图所示，红色和蓝色分别代表负电荷和正电荷（使用VMD中的APBS插件计算）。PDB编号：3ZEK，分子量14.4 kDa。

d. FMN在无蛋白、含HEWL和含BSA条件下的荧光光谱变化（荧光强度分别降低37%和80%）。

e. FMN在无蛋白、含HEWL和含BSA条件下的荧光寿命。所有条件下荧光寿命均保持不变（约5 ns），这是形成基态复合物（静态猝灭）的典型特征。

f. 两种蛋白质-配体复合物的荧光各向异性测量结果。BSA-FMN表现为典型的特异性结合，具有一个结合位点（Hill斜率 = 1.33 ± 0.06）。相比之下，HEWL-FMN呈现显著的非特异性结合模式，与其表面相互作用机制一致。

g. 流速对HEWL-FMN和BSA-FMN磁场效应的影响。灰色阴影区域表示[LF] > [FMN]的区间，橙色阴影区域表示[FMN] > [LF]的区间。所示特征的详细描述见正文。图d和e的数据由滨松Quantaurus-Tau荧光寿命测量系统采集。图b、f和g所示实验数据均采用方法部分（材料部分）所述市售样品，进行四次技术重复测量获得。图b和g中数据以平均值±标准误（s.e.m.）表示。图f中数据以平均值±标准差（s.d.）表示。

MFE与DLIA检测结合，从“看到”到“看清”

研究团队还利用EMCCD相机与创新性“后处理数字锁相放大器（DLIA）”技术，实现了从“看到磁场效应”到“量化分析磁场效应的时间动力学”的跨越，为在复杂生物环境中精准定位和定量分析磁敏感位点提供了关键技术手段。

图3 | EMCCD检测模式下的磁场效应与后处理数字锁相检测

a. 触发方案示意图。其中EMCCD作为主触发器（100 ms），控制磁场线圈电源（2 s开启，2 s关闭）和泵浦光束快门（连续波模式）。

b. EMCCD探测的FMN（2 μM）与HEWL（0.5 mM）体系磁场效应。荧光监测波长范围为500 nm至600 nm，流速为100 μL/min，30分钟内共采集16,800帧图像。

c. 数字锁相放大分析（DLIA）方法。原始数据依次经过高通滤波器（HPF，0.2 Hz）和10阶中值滤波器（MF）处理后得到DLIA数据。随后对DLIA数据进行快速傅里叶变换（FFT）和逆快速傅里叶变换（IFFT），以获取磁场效应的上升速率（krise = 4.76 ± 0.98 s⁻¹）和衰减速率（kdecay = 5.08 ± 0.95 s⁻¹），其响应时间为200 ms。

图b所示的实验数据均采用方法部分（材料部分）所述的市售样品，进行四次技术重复测量获得。图b中数据以平均值±标准差（s.d.）表示。

BSA-FMN模型体系

在由F71特斯拉计保障的稳定磁场环境下，MFFMS技术还揭示了一项重要发现。在牛血清白蛋白（BSA）与黄素单核苷酸（FMN）的复合体中，FMN结合在蛋白口袋2内，与色氨酸残基W211的边到边距离仅4 Å，形成了与鸟类隐花色素磁感应机制高度相似的“单重态起源的自由基对”。这一发现使BSA-FMN复合体有望成为研究量子生物学的廉价且易操作的模型体系。此外，研究进一步揭示了光降解会通过改变黄素侧链结构，显著影响蛋白质-配体结合及自由基对自旋动力学——这一发现对于在细胞环境中寻找类似量子效应至关重要。

图4 | BSA–FMN复合物的竞争结合实验与模拟

a. 四次分子对接模拟结果，共生成40个BSA–FMN复合物。图中展示了口袋1和口袋2，分别位于亚结构域IIIA、IB、IIIB和IIIA、IIB。插图：口袋2的放大图，展示四个对接的FMN残基及BSA蛋白的W211残基。

b. 口袋2的对接模拟结构与BSA–萘普生（NPS）复合物晶体结构（PDB编号：4OR0）的叠加图。

c. 通过FMN（20 μM）与NPS在BSA蛋白（0.5 mM）上的竞争结合实验实现的FMN荧光强度恢复。其中，F0为未加入NPS时BSA–FMN复合物的荧光强度。

d. 对接模拟的结合相互作用分析（其余三次模拟结果见补充信息）。结果表明，大多数结合相互作用发生在蛋白质与核糖醇基/磷酸基侧链之间。

e. 分子动力学（MD）模拟过程中FMN与W211的质心间距分布。详见正文。

图c所示的实验数据均采用方法部分（材料部分）所述市售样品，进行四次技术重复测量获得。图c中数据以平均值±标准差（s.d.）表示。

核心保障：F71特斯拉计精准监控磁场条件

在此类高灵敏度实验中，外加磁场的精确性是实验结果可信度的基石。即使微小的磁场偏差，也可能导致自由基对自旋动力学的显著变化，进而影响对生物量子效应的判断。研究团队在自制的亥姆霍兹线圈系统中，专门配备了Lake Shore F71特斯拉计，对实验磁场进行实时、高精度监测，确保0-15 mT外加磁场的准确设定与稳定维持，上升时间控制在20 ms以内。F71 特斯拉计的优异性能，为MFFMS技术探测百分比级别的微弱磁场效应提供了有力保障。

Lake Shore F71特斯拉计：高精度磁场测量的理想选择

F71特斯拉计是Lake Shore公司推出的一款高性能磁场测量仪器，广泛应用于磁性材料生产、磁体质量控制、磁体分选、电磁场控制、交流磁场测量、核磁及其他超导磁体测量、计量检验、科学研究等多个关键领域。在本研究中，F71特斯拉计被集成至自建MFFMS平台的亥姆霍兹线圈系统中，用于实时精确监控外加磁场，确保10 mT实验磁场条件的准确性与稳定性。

其主要技术特点包括：

• 无需校零 精准测量：F71/F41系列特斯拉计搭载的TruZero™ 技术，无需进行校零操作，即可快速、准确地进行无忧且长时间的测量，从根源上解决了这些问题。

• 无需预热 即开即测：F71和F41特斯拉计采用具有低温度系数的高稳定性组件，从硬件层面消除了预热需求。开机后，用户可立即获取准确的读数，在现场测量等场景中，无需考虑预热因素，显著提高了测量的及时性和便捷性。

• 主动温度补偿 稳定输出数据：F71/F41 系列特斯拉计具有主动温度补偿特性。每个探头顶端都集成一个温度传感器，可将温度数据传送到特斯拉计上。仪器根据这些读数确定温度偏移，并在标准工作场所环境温度范围内对其进行自动补偿，确保数据测量不受温度变化的干扰，可在各种工作条件下精确读取现场读数。

• 人性化设计 如智能手机般便捷操作：F71 和 F41 特斯拉传感器在操作设计上充分考虑用户体验，配备整洁的触摸显示屏和特殊的 TiltView™屏幕。其操作界面遵循智能手机技术标准，图标、手势和菜单样式简洁直观。TiltView™允许用户手动调整屏幕视角，从而在与触摸屏交互时能够获得更清晰的视图，提高准确性。

参考文献：

[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).