腫瘤的發展始于身體細胞內的微小變化，最小尺度的離子擴散對于電池的性能至關重要。到目前為止，傳統成像方法的分辨率還不夠高，無法詳細表示這些過程。由德國慕尼黑工業大學（Technical University of Munich，TUM）領導的研究小組開發了金剛石量子傳感器，可用于提高磁成像的分辨率。

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是科學研究中的一種重要成像方法，常用于不損壞組織和結構的情況下將研究對象可視化。該技術在醫學領域更為人所知的名稱是磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI），將患者移入大型電磁鐵的孔中。MRI設備會產生非常強的磁場，與體內氫核的微小磁場相互作用。由于氫原子在不同類型的組織中以特定的方式分布，因此可以區分器官、關節、肌肉和血管。核磁共振方法還可用于可視化水和其他元素的擴散。例如，科學研究通常涉及觀察碳（C）或鋰（Li）的行為，以探索酶的結構或電池中的過程。“現有的NMR方法提供了良好的結果，例如在識別細胞集落中的異常過程時，”慕尼黑工業大學量子傳感教授Dominik Bucher說，“但如果我們想解釋單細胞內微觀結構中發生的情況，我們需要新的方法。”

利用金剛石制成的傳感器

慕尼黑工業大學的研究團隊為此制作了一種由人造金剛石制成的量子傳感器（Quantum Sensor）。弗勞恩霍夫應用固體物理研究所（Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics，IAF）的Peter Knittel博士解釋說：“我們在制造過程中就已經用特殊的氮和碳原子豐富了金剛石層，為新的NMR方法提供了金剛石層。”生長后，電子輻射將單個碳原子從鉆石的完美晶格中分離出來。由此產生的缺陷排列在氮原子旁邊——形成了一個所謂的氮空位中心。這種空位具有傳感所需的特殊量子力學特性。“我們對材料的處理優化了量子態的持續時間，這使得傳感器能夠測量更長時間，”Knittel補充道。

量子傳感器通過首次測試

氮空位中心的量子態與磁場相互作用。“來自樣本的MRI信號隨后被轉換為光學信號，我們可以以高空間分辨率檢測該信號，”Bucher解釋道。為了測試該方法，慕尼黑工業大學的科學家在金剛石量子傳感器上放置了一個帶有微小充滿水通道的微芯片。“這使我們能夠模擬細胞的微觀結構，”布赫說。研究人員能夠成功分析水分子在微觀結構內的擴散。

下一步，研究人員希望進一步開發該方法，以研究單個活細胞、組織切片的微觀結構或電池應用薄膜材料的離子淌度。“核磁共振和核磁共振技術能夠直接檢測原子和分子的遷移率，這使得它們與其他成像方法相比絕對獨一無二，”德國弗萊堡大學（University of Freiburg）的Maxim Zaitsev教授說。“我們現在找到了一種方法，可以在未來顯著提高目前通常被認為不夠精細的空間分辨率。”

Source: sciencedaily; TUM

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