金刚石微型磁共振成像仪

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。到目前为止，传统成像方法的分辨率还不足以详细地描述这些过程。慕尼黑工业大学（TUM）领导的一个研究小组开发了一种金刚石量子传感器，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，可用于在不损坏组织和结构的情况下对其进行可视化。该技术在医学领域被称为磁共振成像（MRI），其中患者被移动到桌子上大磁铁的孔中。MRI设备产生非常强的磁场，与体内氢原子核的微小磁场相互作用。由于氢原子以特定的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。

Robin Allert（左）和Dominik Bucher教授正在研究新的量子传感器

核磁共振方法也可用于可视化水和其它元素的扩散。例如，研究通常涉及观察碳或锂的行为，以探索酶的结构或电池中的过程。TUM量子传感教授Dominik Bucher说：“现有的核磁共振方法提供了很好的结果，例如在识别细胞集落中的异常过程时。但如果我们想解释单个细胞内微观结构中发生的情况，我们需要新的方法。”

金刚石制成的传感器

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。“我们在生长过程中用特殊的氮和碳原子丰富了为新的核磁共振方法提供的金刚石层，”弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（IAF）的彼得·克尼特尔博士解释道。这项工作发表在《科学进展》杂志上。

生长后，电子辐射将单个碳原子从金刚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，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性质。克尼特尔补充道：“我们对材料的处理优化了量子态的持续时间，使传感器能够测量更长时间”。

微流体结构内的空间分辨PGSE NV-NMR实验。

量子传感器通过首次测试

布赫解释道：“氮空位中心的量子态与磁场相互作用。然后，样品的MRI信号被转换为光学信号，我们可以用很高的空间分辨率进行检测。”

为了测试该方法，TUM科学家在钻石量子传感器上放置了一个带有微观水填充通道的微芯片。Bucher说：“这使我们能够模拟细胞的微观结构”。研究人员能够成功分析微结构中水分子的扩散。

下一步，研究人员希望进一步开发这种方法，以研究单个活细胞、组织切片中的微观结构，或用于电池应用的薄膜材料的离子迁移率。弗莱堡大学的马克西姆·扎伊采夫教授说：“与其他成像方法相比，核磁共振和核磁共振技术直接检测原子和分子迁移率的能力使其绝对独特。我们现在找到了一种方法，可以显著提高目前通常被认为不足的空间分辨率。”

相关链接：https://phys.org/news/2023-10-miniature-magnetic-resonance-imager-diamond.html