論文の概要: A Ramsey Ion Gradiometer for Single-Molecule State Detection
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2508.12499v1
- Date: Sun, 17 Aug 2025 21:06:19 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-08-19 14:49:10.805463
- Title: A Ramsey Ion Gradiometer for Single-Molecule State Detection
- Title（参考訳）: 単分子状態検出のためのラムゼーイオン重力計
- Authors: Sean D. Huver,
- Abstract要約: 我々は、理論量子センシングソリューション、Quantum Ligand-Binding Interrogator (QLI)を提案する。
QLI(英: QLI)は、電場勾配のラベルなし検出を行うために、一対のコトラップ原子イオンを用いる差動センサ(グラディオメーター)である。
本稿では,QLIの概念的枠組み,実験アーキテクチャ,絡み合った2イオンスピン状態を用いた測定プロトコル,鍵となる工学的リスクの解析について述べる。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The characterization of ligand--receptor interactions is a cornerstone of modern pharmacology; however, current methods are hampered by limitations such as ensemble averaging and invasive labeling. We propose a theoretical quantum sensing solution, the Quantum Ligand-Binding Interrogator (QLI), designed to overcome these challenges. The QLI is a differential sensor, or gradiometer, that uses a pair of co-trapped atomic ions to perform label-free detection of the electric field gradient produced by a single ligand binding to its receptor in vitrified samples. This gradiometric approach provides robust common-mode rejection of background electric field noise. To bridge the gap between the cryogenic, ultra-high-vacuum environment required for the sensor and the biological sample, we propose an architecture based on a vitrified sample mounted on a scanning probe. This enables the detection of the electrostatic signature of a single molecule in a specific conformational state (e.g., bound vs.\ unbound). This paper details the conceptual framework of the QLI, the experimental architecture, the measurement protocol using entangled two-ion spin states, and an analysis of key engineering risks. Anchoring to state-of-the-art single-ion low-frequency sensitivities (sub-mV\,m$^{-1}$/\,$\sqrt{\mathrm{Hz}}$), we project SNR\,=\,1 in tens of seconds at a 10\,\textmu m ion--sample separation for $\Delta p \sim 20$\,D, with feasibility dominated by the (as yet unmeasured) electrostatic stability of vitrified samples. If realized, QLI would provide direct single-molecule measurements of binding-induced electric field changes, offering a new path for experimental validation of computational models of drug--receptor interactions.
- Abstract（参考訳）: リガンド-受容体相互作用の特徴づけは、現代の薬理学の基礎であるが、現在の方法は、アンサンブル平均化や侵入ラベリングのような制限によって妨げられている。
本稿では,これらの課題を克服するために,理論量子センシングソリューションであるQuantum Ligand-Binding Interrogator (QLI)を提案する。
QLIはディファレンシャルセンサー(gradiometer)であり、一対の原子イオンを使って、可視化試料中の1つのリガンドが受容体に結合して生じる電場勾配をラベル無しで検出する。
このグラジオメトリックなアプローチは、バックグラウンド電界ノイズの強い共通モードの拒絶を与える。
センサと生体試料の低温, 超高真空環境のギャップを埋めるために, 走査型プローブに装着した振動試料に基づくアーキテクチャを提案する。
これにより、特定のコンフォメーション状態(eg, bound vs)において単一の分子の静電気的シグネチャを検出することができる。
とは無関係)。
本稿では,QLIの概念的枠組み,実験アーキテクチャ,絡み合った2イオンスピン状態を用いた測定プロトコル,鍵となる工学的リスクの解析について述べる。
最先端の単一イオン低周波感度 (sub-mV\,m$^{-1}$/\,$\sqrt{\mathrm{Hz}}$) に代えて、SNR\,=\,1 in tens数秒 at a 10\,\textmu m ion--sample separation for $\Delta p \sim 20$\,D。
もし実現すれば、QLIは結合誘起電界変化の直接単分子測定を提供し、薬物-受容体相互作用の計算モデルの実験的検証のための新しい経路を提供する。
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