Hvordan diamantsensorer er indstillet til at revolutionere medicinsk diagnostik

Den menneskelige krop pulserer med elektriske felter, der er forårsaget af bevægelse af ladning gennem nerver og på tværs af muskelvæv. Fysikere har længe målt disse strømme direkte med teknikker som elektrokardiografer, der afslører hjertefunktion, og elektroencefalografer, som afslører hjernefunktion.

Men de samme processer producerer også magnetiske felter, og disse har potentiale til at være lige så nyttige til at diagnosticere sygdom, måske endnu mere. Især magnetiske sensorer behøver ikke at røre ved huden for at udføre deres arbejde. Det er nyttigt til for eksempel at måle signaler fra fosterhjerter eller fra forbrændingsofre.

Men der er et problem. Kroppens magnetfelt er lille, og at opdage det kræver enormt følsomme sensorer. De eneste kommercielt tilgængelige gadgets, der kan udføre dette job, er superledende kvanteinterferensenheder eller SQUID'er, som kan måle ændringer i magnetiske felter målt i femtoTesla (10-15). Disse skal afkøles til flydende heliums temperatur, og målingerne skal foretages i afskærmede rum, der er afskærmet fra eksterne magnetfelter.

Hvordan nitrogenatomer (blå) bliver indlejret i et diamantgitter.

Og det gør dem dyre. Et typisk magnetokardiografsystem koster i omegnen af ​​1 million dollars sammenlignet med et par tusinde dollars for en elektrokardiograf.

Så en måde at gøre magnetokardiografer eller (magnetoencephalographs) billigere på ville være enormt nyttig.

Som det sker, venter der en teknologi i kulissen, som lover at gøre netop det: Diamantsensorer, der er i stand til at måle små magnetiske felter ved stuetemperatur. Håbet er, at disse sensorer kan gøre magnetokardiografer væsentligt billigere og samtidig fjerne behovet for, at hospitaler skal bygge dyre afskærmede rum at betjene dem i.

I dag siger Matthew Dale og Gavin Morley ved University of Warwick i Storbritannien, at diamantsensorer er klar til at revolutionere den måde, læger bruger magnetfeltmålinger i diagnostisk medicin. De kortlægger state of the art på dette område og siger, at forretningsmuligheden er betydelig.

Først lidt baggrund. I hjertet af disse diamantsensorer er en enhed i atomskala, kaldet et nitrogen-vacancy eller NV-center. Dette er en type defekt i et diamantgitter, der består af et nitrogenatom, der sidder ved siden af ​​en ledig stilling.

NV-centre har interessante egenskaber, når de accepterer en elektron og bliver negativt ladede. Elektronen kan fås til at udsende rødt lys, som let opdages. Mængden af ​​lys, den udsender, afhænger af elektronens spinpolarisering, og denne er meget følsom over for ethvert eksternt magnetfelt.

Så enhver ændring i et eksternt magnetfelt kan måles ved at se mængden af ​​lys, der udsendes af et NV-center. Denne proces fungerer ved stuetemperatur, og fysikere har brugt den til at måle feltændringer målt i picoTesla (10-12). De forventer at kunne gøre teknikken væsentligt mere følsom i fremtiden, måske endda i stand til at matche følsomheden af ​​SQUID'er.

Selvom de i øjeblikket er mindre følsomme, har NV-centre andre fordele i forhold til SQUID'er. Til at begynde med kan sensorer, der bruger NV-centre, altid komme tættere på signalet end SQUID'er, som skal isoleres på grund af deres frysetemperatur.

Og diamantbaserede sensorer kan fungere uden at være omhyggeligt afskærmet fra eksterne magnetfelter. Det skyldes, at de kan bruges i grupper, hvor signalerne fra fjernere sensorer bruges til at udelukke effekten af ​​ethvert uønsket eksternt felt.

Selvfølgelig er der nogle udfordringer forude for at gøre diamantsensorer nyttige. Den ene er, at NV-centret udsender lys i alle retninger, og det gør det svært at samle. Omhyggeligt formede spejle burde dog kunne fange det meste af dette lys.

En anden er en konkurrerende teknologi kaldet alkalimetalmagnetometre. Disse afhænger af evnen hos visse typer spin-polariserede atomer til at absorbere lys afhængigt af det lokale magnetfelt. Så disse enheder fungerer ved at måle mængden af ​​lys, der passerer gennem en lille beholder med opvarmet atomgas.

Imidlertid er diamantsensorer solid-state-enheder, der sandsynligvis vil være mere robuste end nogen af ​​konkurrenterne. Selv hvis NV-magnetometre i sidste ende ikke overstiger andre i følsomhed, kan de give betydelige fordele med hensyn til robusthed, omkostninger og nærhed til emnet, siger Dale og Morley.

Markedet for diamantbaserede magnetokardiografer vil sandsynligvis være betydeligt. Dale og Morley anslår, at der er omkring 100 SQUID-baserede magnetokardiografsystemer rundt om i verden. Men der er omkring 100.000 hospitaler rundt om i verden, der kunne drage fordel af billigere enheder. Vi vurderer, at 100.000 magnetokardiografsystemer kunne sælges, hvis funktionaliteten var den samme som eksisterende SQUID-systemer, og prisen var under $150k, konkluderer de.

Det er et interessant studie. Kroppens magnetfelt er stort set ubrugt, hvad angår medicinsk diagnostik. Hvis Dale og Morely har ret, vil det sandsynligvis ændre sig i de næste par år.

Ref: arxiv.org/abs/1705.01994 : Medicinske anvendelser af diamantmagnetometri: Kommerciel levedygtighed

skjule