Miniatyrkamera för magnetisk resonans tillverkad av diamant

Kvantfysik
Robin Allert (left) and Prof. Dominik Bucher are working on new quantum sensors. Credit: Technical University Munich

Tumörutveckling börjar med mycket små förändringar i kroppens celler och jondiffusion i minsta skala är avgörande för batteriers prestanda. Hittills har upplösningen i konventionella avbildningsmetoder inte varit tillräckligt hög för att återge dessa processer i detalj. Ett forskarlag under ledning av Münchens tekniska universitet (TUM) har utvecklat kvantsensorer av diamant som kan användas för att förbättra upplösningen i magnetisk avbildning.

Kärnmagnetisk resonans (NMR) är en viktig avbildningsmetod inom forskningen som kan användas för att visualisera vävnader och strukturer utan att skada dem. Tekniken är mer känd från det medicinska området som magnetisk resonanstomografi (MRI), där patienten flyttas in i ett hål med en stor magnet på ett bord. MR-apparaten skapar ett mycket starkt magnetfält som interagerar med de små magnetfälten hos vätekärnorna i kroppen. Eftersom väteatomerna är fördelade på ett speciellt sätt i olika typer av vävnader blir det möjligt att urskilja organ, leder, muskler och blodkärl.

NMR-metoder kan också användas för att visualisera diffusionen av vatten och andra grundämnen. Forskning handlar till exempel ofta om att observera hur kol eller litium beter sig för att utforska strukturer hos enzymer eller processer i batterier. ”Befintliga NMR-metoder ger bra resultat, till exempel när det gäller att känna igen onormala processer i cellkolonier”, säger Dominik Bucher, professor i Quantum Sensing vid TUM. ”Men vi behöver nya tillvägagångssätt om vi vill förklara vad som händer i mikrostrukturerna i de enskilda cellerna.”

Sensorer tillverkade av diamant

För detta ändamål har forskargruppen tagit fram en kvantsensor av syntetisk diamant. ”Vi berikar diamantskiktet, som vi tillhandahåller för den nya NMR-metoden, med speciella kväve- och kolatomer redan under tillväxten”, förklarar Dr. Peter Knittel från Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF). Arbetet publiceras i tidskriften Science Advances.

Efter tillväxten lösgör elektronbestrålningen enskilda kolatomer från diamantens perfekta kristallgitter. De defekter som uppstår ordnar sig bredvid kväveatomerna – ett så kallat kvävevakanscentrum har skapats. Sådana vakanser har speciella kvantmekaniska egenskaper som behövs för sensorer. ”Vår bearbetning av materialet optimerar kvanttillståndens varaktighet, vilket gör att sensorerna kan mäta under längre tid”, tillägger Knittel.

Rumsligt upplösta PGSE NV-NMR-experiment inom mikrofluidiska strukturer
Spatially resolved PGSE NV-NMR experiments within microfluidic structures. Credit: Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh3484

Kvantsensorer klarar det första testet

Kvanttillståndet hos kväve-vacanscentren interagerar med magnetfält. ”MRI-signalen från provet omvandlas sedan till en optisk signal som vi kan detektera med en hög grad av rumslig upplösning”, förklarar Bucher.

För att testa metoden placerade TUM-forskarna ett mikrochip med mikroskopiska vattenfyllda kanaler på diamantkvantsensorn. ”Detta gör det möjligt för oss att simulera mikrostrukturer i en cell”, säger Bucher. Forskarna kunde framgångsrikt analysera diffusionen av vattenmolekyler inom mikrostrukturen.

I nästa steg vill forskarna vidareutveckla metoden för att möjliggöra undersökning av mikrostrukturer i enskilda levande celler, vävnadssnitt eller jonrörligheten hos tunnfilmsmaterial för batteritillämpningar. ”NMR- och MR-teknikernas förmåga att direkt detektera atomers och molekylers rörlighet gör dem helt unika jämfört med andra avbildningsmetoder”, säger professor Maxim Zaitsev vid universitetet i Freiburg. ”Vi har nu hittat ett sätt att avsevärt förbättra deras rumsliga upplösning, som för närvarande ofta anses vara otillräcklig, i framtiden.”

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

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.