由金刚石制成的微型磁共振成像仪

诸平

Robin Allert (left) and Dominik Bucher are working on new quantum sensors.

据德国慕尼黑工业大学(Technical University of Munich简称TUM, Garching, Germany)2023年10月19日提供的消息，该校研究人员与德国弗赖堡大学医学院（Faculty of Medicine, University of Freiburg, Freiburg, Germany）、德国弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics, Tullastr., Freiburg, Germany）、德国慕尼黑量子科学与技术中心（Munich Center for Quantum Science and Technology简称MCQST, Schellingstr., München, Germany）的研究人员合作，由金刚石制成的微型磁共振成像仪（A miniature magnetic resonance imager made of diamond），量子传感器使微型核磁共振波谱（microscale NMR spectroscopy）成为可能。相关研究结果于2023年8月18日已经在《科学进展》（Science Advances）杂志网站发表——Fleming Bruckmaier, Robin D. Allert, Nick R. Neuling, Philipp Amrein, Sebastian Littin, Karl D. Briegel, Philip Schätzle, Peter Knittel, Maxim Zaitsev, Dominik B. Bucher. Imaging local diffusion in microstructures using NV-based pulsed field gradient NMR. Science Advances, 18 Aug 2023, Vol 9, Issue 33. DOI: 10.1126/sciadv.adh3484

肿瘤的发展始于人体细胞内部的微小变化;离子在最小尺度上的扩散对电池的性能起着决定性的作用。到目前为止，传统成像方法的分辨率还不够高，无法详细描述这些过程。由慕尼黑工业大学(TUM)领导的一个研究小组开发出了金刚石量子传感器，可用于提高磁成像的分辨率。上述图片是罗宾·阿勒特（Robin Allert）（左）和多米尼克·布赫（Dominik Bucher）正在研究新型量子传感器。

核磁共振 (Nuclear magnetic resonance简称NMR) 是研究中的一种重要成像方法，可用于在不损坏组织和结构的情况下可视化它们。该技术在医学领域更为人所知的是磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging简称MRI）。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（NMR methods）还可用于可视化水和其他元素的扩散。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。“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多米尼克·布赫（Dominik Bucher, Professor for Quantum Sensing at TUM）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。”

金刚石制成的传感器（Sensors made of diamond）

研究小组为此目的生产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简称IAF) 的彼得·尼特尔（Peter Knittel）博士解释说：“我们在生长过程中就已经用特殊的氮和碳原子丰富了为新的NMR方法提供的金刚石层。”

生长过程完成后，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——形成了所谓的氮空位中心（nitrogen-vacancy center）。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，”彼得·尼特尔补充道。

量子传感器通过了第一次测试（Quantum sensors pass the first test）

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，”多米尼克·布赫解释道。

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，”多米尼克·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迁移率（ion mobility）。弗莱堡大学的马克西姆·扎伊采夫（Maxim Zaitsev）教授说：“核磁共振（NMR）和磁共振抽象（MRI）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。我们现在找到了一种方法，可以在未来显著提高目前通常被认为不足的空间分辨率。”

该项目由欧洲研究委员会(European Research Council简称ERC)在欧盟地平线2020研究与创新计划 (European Union’s Horizon 2020 research and innovation program—Horizon 2020 Framework Programme: 948049) 下和德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft简称DFG / German Research Foundation，ASCRS Research Foundation: 412351169)在埃米·诺特计划（Emmy Noether program）下资助；也得到德国卓越战略下的德国研究基金会提供的支持(Deutsche Forschungsgemeinschaft: EXC 2089/1; 390776260l EXC-2111 390814868)；还有来自德国联邦教育与研究部(German Federal Ministry of Education and Research简称BMBF)的支持(Bundesministerium für Bildung und Forschung: 13GW0356B)。

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Abstract

Understanding diffusion in microstructures plays a crucial role in many scientific fields, including neuroscience, medicine, or energy research. While magnetic resonance (MR) methods are the gold standard for diffusion measurements, spatial encoding in MR imaging has limitations. Here, we introduce nitrogen-vacancy (NV) center–based nuclear MR (NMR) spectroscopy as a powerful tool to probe diffusion within microscopic sample volumes. We have developed an experimental scheme that combines pulsed gradient spin echo (PGSE) with optically detected NV-NMR spectroscopy, allowing local quantification of molecular diffusion and flow. We demonstrate correlated optical imaging with spatially resolved PGSE NV-NMR experiments probing anisotropic water diffusion within an individual model microstructure. Our optically detected PGSE NV-NMR technique opens up prospects for extending the current capabilities of investigating diffusion processes with the future potential of probing single cells, tissue microstructures, or ion mobility in thin film materials for battery applications.