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使用金刚石量子传感器以毫米分辨率测量心脏中的电流
来源:赛斯维传感器网 发表于 2022/8/29

基于固态量子传感器的心磁图。a 大鼠心磁图 (mcg) 装置示意图。一只活着的老鼠的心脏仍然在包含氮空位 (nv) 核心集合的金刚石芯片下方约一毫米处。沿 xy 轴自动扫描大鼠以进行磁场映射,并沿 z 轴手动扫描以调整高度。心电图 (ecg) 信号通过 ecg 分析器与 mcg 同时进行监测。nv 核心由 2.0 w 绿色激光激发。这种激发需要由非球面聚光透镜收集的自旋态相关荧光。b nv核心能级图。米s?= ±1 基态被偏置磁场分裂并被与 nv 跃迁频率共振的微波混合。每个基态通过与宿主的超精细相互作用进一步分裂14n 核自旋。c 心形和钻石的放大视图。流过心脏的电流会产生一个循环场(蓝色箭头)。沿 [111] 方向的 nv 核心(红色箭头)对磁场的 z 分量敏感。d 磁力测量原理。改变 nv 跃迁频率的时变心脏磁场(蓝色)被转换为锁定解调荧光信号(红色)的变化。在锁定光学检测磁共振 (odmr) 光谱中观察到五个峰,因为三个超精细跃迁频率被三音微波激发。e 整个大鼠心脏信号频带 dc ~200 hz 的磁场灵敏度。黑色虚线表示 140 pt hz -1/2。来源:通信物理学(2022 年)。doi: 10.1038/s42005-022-00978-0


心脏问题,如心动过速和纤颤,主要是由于电流通过心脏传播的方式存在缺陷。不幸的是,医生很难研究这些缺陷,因为测量这些电流涉及高度侵入性程序和暴露于 x 射线辐射。


但是,还有其他选择。例如,心磁图 (mcg) 是一种很有前途的替代方法,可以间接测量心脏电流。该技术涉及感应由心脏电流引起的心脏附近磁场的微小变化,这可以以完全非接触的方式完成。为此,已经开发了适用于此目的的各种类型的量子传感器。然而,它们的空间分辨率限于厘米级:不足以检测以毫米级传播的心脏电流。此外,这些传感器中的每一个都具有相当大的实际限制,例如尺寸和工作温度。


在近期发表在communications physics上的一项研究中,由日本东京工业大学(tokyo tech)的 takayuki iwasaki 副教授领导的一组科学家现在已经开发出一种新的装置来执行更高分辨率的 mcg。他们的方法基于包含氮空位的金刚石量子传感器,这些空位充当特殊的磁性“核心”,对心脏电流产生的微弱磁场敏感。


但是如何观察这些核心的状态来提取有关心脏电流的信息呢?事实证明,传感器也是荧光的,这意味着它很容易吸收特定频率的光,然后以不同的频率重新发射它们。重要的是,在氮空位处重新发射的光的强度根据外部磁场的强度和方向而变化。


研究小组创建了一个 mcg 设置,使用 532 nm(绿色)激光来激发金刚石传感器和光电二极管以捕获重新发射的光子(光粒子)。他们还开发了数学模型,以准确地映射这些捕获的光子与相应的磁场,进而映射出负责它们的心脏电流。


所提出的系统具有 5.1 毫米空间分辨率,可以创建在实验室大鼠心脏中测量的心脏电流的详细二维图。此外,与其他需要低温的成熟 mcg 传感器不同,金刚石传感器可以在室温下运行。这使研究人员能够将他们的传感器放置在非常靠近心脏组织的位置,从而放大了测量的信号。“我们的非接触式传感器与我们当前的模型相结合的优势将允许使用小型哺乳动物模型动物更准确地观察心脏缺陷,”iwasaki 博士强调说。


总体而言,本研究中开发的 mcg 设置似乎是了解许多心脏问题以及其他涉及电流的身体过程的有前途的工具。在这方面,岩崎博士评论说:“我们的技术将有助于研究各种心律失常的起源和进展,以及其他生物电流驱动的现象。”

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