量子传感器使微型核磁共振设备成为可能

肿瘤的发展始于身体细胞内的微小变化，最小尺度的离子扩散对于电池的性能至关重要。到目前为止，传统成像方法的分辨率还不够高，无法详细表示这些过程。由德国慕尼黑工业大学（Technical University of Munich，TUM）领导的研究小组开发了金刚石量子传感器，可用于提高磁成像的分辨率。

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是科学研究中的一种重要成像方法，常用于不损坏组织和结构的情况下将研究对象可视化。该技术在医学领域更为人所知的名称是磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI），将患者移入大型电磁铁的孔中。MRI设备会产生非常强的磁场，与体内氢核的微小磁场相互作用。由于氢原子在不同类型的组织中以特定的方式分布，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可视化水和其他元素的扩散。例如，科学研究通常涉及观察碳（C）或锂（Li）的行为，以探索酶的结构或电池中的过程。“现有的NMR方法提供了良好的结果，例如在识别细胞集落中的异常过程时，”慕尼黑工业大学量子传感教授Dominik Bucher说，“但如果我们想解释单细胞内微观结构中发生的情况，我们需要新的方法。”

利用金刚石制成的传感器

慕尼黑工业大学的研究团队为此制作了一种由人造金刚石制成的量子传感器（Quantum Sensor）。弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics，IAF）的Peter Knittel博士解释说：“我们在制造过程中就已经用特殊的氮和碳原子丰富了金刚石层，为新的NMR方法提供了金刚石层。”生长后，电子辐射将单个碳原子从钻石的完美晶格中分离出来。由此产生的缺陷排列在氮原子旁边——形成了一个所谓的氮空位中心。这种空位具有传感所需的特殊量子力学特性。“我们对材料的处理优化了量子态的持续时间，这使得传感器能够测量更长时间，”Knittel补充道。

量子传感器通过首次测试

氮空位中心的量子态与磁场相互作用。“来自样本的MRI信号随后被转换为光学信号，我们可以以高空间分辨率检测该信号，”Bucher解释道。为了测试该方法，慕尼黑工业大学的科学家在金刚石量子传感器上放置了一个带有微小充满水通道的微芯片。“这使我们能够模拟细胞的微观结构，”布赫说。研究人员能够成功分析水分子在微观结构内的扩散。

下一步，研究人员希望进一步开发该方法，以研究单个活细胞、组织切片的微观结构或电池应用薄膜材料的离子淌度。“核磁共振和核磁共振技术能够直接检测原子和分子的迁移率，这使得它们与其他成像方法相比绝对独一无二，”德国弗莱堡大学（University of Freiburg）的Maxim Zaitsev教授说。“我们现在找到了一种方法，可以在未来显着提高目前通常被认为不够精细的空间分辨率。”

Source: sciencedaily; TUM

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