用钻石制成的微型磁共振成像仪

Robin Allert（左）和 Dominik Bucher 教授正在研究新型量子传感器。资料来源：慕尼黑工业大学

肿瘤的发展始于人体细胞内的微小变化；最小尺度的离子扩散对电池的性能起着决定性作用。迄今为止，传统成像方法的分辨率还不足以详细呈现这些过程。慕尼黑工业大学（TUM）领导的一个研究小组开发出了钻石量子传感器，可用于提高磁成像的分辨率。

核磁共振（NMR）是一种重要的研究成像方法，可用于观察组织和结构而不会对其造成损害。这种技术在医学领域被称为核磁共振成像（MRI），即把病人移到桌子上的大磁铁孔中。核磁共振成像装置会产生一个非常强的磁场，与体内氢原子核的微小磁场相互作用。由于氢原子以特定方式分布在不同类型的组织中，因此可以区分器官、关节、肌肉和血管。

核磁共振方法还可用于观察水和其他元素的扩散。例如，研究工作经常涉及观察碳或锂的行为，以探索酶的结构或电池的过程。"现有的 NMR 方法提供了很好的结果，例如在识别细胞群中的异常过程时，"德国慕尼黑工业大学量子传感教授 Dominik Bucher 说。"但是，如果我们想解释单细胞内部微结构中发生的情况，就需要新的方法。

金刚石传感器
为此，研究团队制作了一种由人造金刚石制成的量子传感器。"弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）的彼得-克尼特尔博士解释说："我们在金刚石层中添加了特殊的氮原子和碳原子，这是为新的核磁共振方法提供的。这项研究成果发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。

金刚石在生长过程中，电子辐照会将单个碳原子从完美的晶格中分离出来。由此产生的缺陷排列在氮原子旁边，即所谓的氮空位中心。这种空位具有传感所需的特殊量子力学特性。"Knittel 补充说："我们对材料的加工优化了量子态的持续时间，这使得传感器可以测量更长时间。

微流控结构内的空间分辨 PGSE NV-NMR 实验。来源：《科学进展》（2023 年）。DOI: 10.1126/sciadv.adh3484

量子传感器通过首次测试

氮空穴中心的量子态与磁场相互作用。"然后，样本的磁共振成像信号被转换成光学信号，我们能以很高的空间分辨率检测到这种信号。

为了测试这种方法，TUM 的科学家们在金刚石量子传感器上放置了一个微芯片，芯片上有微小的注水通道。"这样我们就能模拟细胞的微观结构。研究人员成功地分析了水分子在微结构中的扩散情况。

下一步，研究人员希望进一步开发这种方法，以便能够研究单个活细胞、组织切片的微观结构，或用于电池应用的薄膜材料的离子迁移率。"弗莱堡大学的 Maxim Zaitsev 教授说："核磁共振和磁共振成像技术能够直接检测原子和分子的迁移率，这使它们与其他成像方法相比具有绝对的独特性。"我们现在已经找到了一种方法，可以在未来显著提高它们的空间分辨率，而这种分辨率目前通常被认为是不够的"。

参考资料

Fleming Bruckmaier et al, Imaging local diffusion in microstructures using NV-based pulsed field gradient NMR, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh3484​

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