腫瘤的發(fā)展始于人體細(xì)胞內(nèi)的微小變化，最小尺度的離子擴(kuò)散對(duì)電池的性能起著決定性作用。到目前為止，傳統(tǒng)成像方法的分辨率還不足以詳細(xì)地描述這些過程。慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組開發(fā)了一種金剛石量子傳感器，可用于提高磁成像的分辨率。

核磁共振（NMR）是一種重要的研究成像方法，可用于在不損壞組織和結(jié)構(gòu)的情況下對(duì)其進(jìn)行可視化。該技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被稱為磁共振成像（MRI），其中患者被移動(dòng)到桌子上大磁鐵的孔中。MRI設(shè)備產(chǎn)生非常強(qiáng)的磁場(chǎng)，與體內(nèi)氫原子核的微小磁場(chǎng)相互作用。由于氫原子以特定的方式分布在不同類型的組織中，因此可以區(qū)分器官、關(guān)節(jié)、肌肉和血管。

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

核磁共振方法也可用于可視化水和其它元素的擴(kuò)散。例如，研究通常涉及觀察碳或鋰的行為，以探索酶的結(jié)構(gòu)或電池中的過程。TUM量子傳感教授Dominik Bucher說(shuō)：“現(xiàn)有的核磁共振方法提供了很好的結(jié)果，例如在識(shí)別細(xì)胞集落中的異常過程時(shí)。但如果我們想解釋單個(gè)細(xì)胞內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)中發(fā)生的情況，我們需要新的方法�！�

金剛石制成的傳感器

研究團(tuán)隊(duì)為此制作了一種由人造金剛石制成的量子傳感器。“我們?cè)谏�長(zhǎng)過程中用特殊的氮和碳原子豐富了為新的核磁共振方法提供的金剛石層，”弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所（IAF）的彼得·克尼特爾博士解釋道。這項(xiàng)工作發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

生長(zhǎng)后，電子輻射將單個(gè)碳原子從金剛石的完美晶格中分離出來(lái)。由此產(chǎn)生的缺陷排列在氮原子旁邊，即所謂的氮空位中心。這種空位具有傳感所需的特殊量子力學(xué)性質(zhì)�？四崽貭栄a(bǔ)充道：“我們對(duì)材料的處理優(yōu)化了量子態(tài)的持續(xù)時(shí)間，使傳感器能夠測(cè)量更長(zhǎng)時(shí)間”。

微流體結(jié)構(gòu)內(nèi)的空間分辨PGSE NV-NMR實(shí)驗(yàn)。

量子傳感器通過首次測(cè)試

布赫解釋道：“氮空位中心的量子態(tài)與磁場(chǎng)相互作用。然后，樣品的MRI信號(hào)被轉(zhuǎn)換為光學(xué)信號(hào)，我們可以用很高的空間分辨率進(jìn)行檢測(cè)�！�

為了測(cè)試該方法，TUM科學(xué)家在鉆石量子傳感器上放置了一個(gè)帶有微觀水填充通道的微芯片。Bucher說(shuō)：“這使我們能夠模擬細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)”。研究人員能夠成功分析微結(jié)構(gòu)中水分子的擴(kuò)散。

下一步，研究人員希望進(jìn)一步開發(fā)這種方法，以研究單個(gè)活細(xì)胞、組織切片中的微觀結(jié)構(gòu)，或用于電池應(yīng)用的薄膜材料的離子遷移率。弗萊堡大學(xué)的馬克西姆·扎伊采夫教授說(shuō)：“與其他成像方法相比，核磁共振和核磁共振技術(shù)直接檢測(cè)原子和分子遷移率的能力使其絕對(duì)獨(dú)特。我們現(xiàn)在找到了一種方法，可以顯著提高目前通常被認(rèn)為不足的空間分辨率�！�

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