211service.com
Hvordan diamantsensorer er satt til å revolusjonere medisinsk diagnostikk
Menneskekroppen pulserer med elektriske felt som er forårsaket av bevegelse av ladning gjennom nerver og over muskelvev. Fysikere har lenge målt disse strømmene direkte med teknikker som elektrokardiografer, som avslører hjertefunksjon, og elektroencefalografer, som avslører hjernefunksjon.
Men de samme prosessene produserer også magnetiske felt, og disse har potensial til å være like nyttige for å diagnostisere sykdom, kanskje enda mer. Spesielt trenger ikke magnetiske sensorer å berøre huden for å gjøre jobben sin. Det er nyttig for å måle signaler fra fosterhjerter eller fra brannskadde, for eksempel.
Men det er et problem. Kroppens magnetfelt er lite, og å oppdage det krever svært følsomme sensorer. De eneste kommersielt tilgjengelige dingsene som kan gjøre denne jobben er superledende kvanteinterferensenheter, eller SQUIDs, som kan måle endringer i magnetiske felt målt i femtoTesla (10-15). Disse må kjøles ned til temperaturen til flytende helium, og målingene gjøres i skjermede rom som er skjermet fra ytre magnetfelt.
Hvordan nitrogenatomer (blått) blir innebygd i et diamantgitter.
Og det gjør dem dyre. Et typisk magnetokardiografsystem koster rundt 1 million dollar, sammenlignet med noen få tusen dollar for en elektrokardiograf.
Så en måte å gjøre magnetokardiografer eller (magnetoencefalografer) billigere ville være enormt nyttig.
Som det skjer, er det en teknologi som venter i vingene som lover å gjøre nettopp det: diamantsensorer som er i stand til å måle små magnetiske felt ved romtemperatur. Håpet er at disse sensorene kan gjøre magnetokardiografer betydelig billigere og samtidig fjerne behovet for sykehus å bygge dyre skjermede rom å betjene dem i.
I dag sier Matthew Dale og Gavin Morley ved University of Warwick i U.K. at diamantsensorer er klar til å revolusjonere måten leger bruker magnetfeltmålinger i diagnostisk medisin. De kartlegger toppmoderne på dette området og sier at forretningsmuligheten er betydelig.
Først litt bakgrunn. I hjertet av disse diamantsensorene er en enhet i atomskala som kalles et nitrogen-vakans, eller NV-senter. Dette er en type defekt i et diamantgitter som består av et nitrogenatom som sitter ved siden av en ledig stilling.
NV-sentre har interessante egenskaper når de aksepterer et elektron og blir negativt ladet. Elektronet kan fås til å sende ut rødt lys, som lett oppdages. Mengden lys den sender ut avhenger av elektronets spinnpolarisering, og dette er svært følsomt for ethvert eksternt magnetfelt.
Så enhver endring i et eksternt magnetfelt kan måles ved å se på mengden lys som sendes ut av et NV-senter. Denne prosessen fungerer ved romtemperatur, og fysikere har brukt den til å måle feltendringer målt i picoTesla (10-12). De forventer å kunne gjøre teknikken betydelig mer sensitiv i fremtiden, kanskje til og med i stand til å matche følsomheten til SQUIDs.
Selv om de for tiden er mindre følsomme, har NV-sentre andre fordeler fremfor SQUIDs. Til å begynne med kan sensorer som bruker NV-sentre alltid komme nærmere signalet enn SQUID-er, som må isoleres på grunn av frysetemperaturen.
Og diamantbaserte sensorer kan fungere uten å være nøye skjermet fra eksterne magnetiske felt. Det er fordi de kan brukes i grupper, med signalene fra fjernere sensorer som brukes til å kansellere effekten av ethvert uønsket eksternt felt.
Selvfølgelig er det noen utfordringer fremover for å gjøre diamantsensorer nyttige. Det ene er at NV-senteret sender ut lys i alle retninger, og dette gjør det vanskelig å samle. Imidlertid bør nøye utformede speil kunne fange opp det meste av dette lyset.
En annen er en konkurrerende teknologi kalt alkalimetallmagnetometre. Disse avhenger av evnen til visse typer spinnpolariserte atomer til å absorbere lys avhengig av det lokale magnetfeltet. Så disse enhetene fungerer ved å måle mengden lys som passerer gjennom en liten beholder med oppvarmet atomgass.
Imidlertid er diamantsensorer solid-state enheter som sannsynligvis vil være mer robuste enn noen av konkurrentene. Selv om NV-magnetometre til slutt ikke overgår andre i følsomhet, kan de gi betydelige fordeler i robusthet, kostnad og nærhet til emnet, sier Dale og Morley.
Markedet for diamantbaserte magnetokardiografer vil sannsynligvis være betydelig. Dale og Morley anslår at det er rundt 100 SQUID-baserte magnetokardiografsystemer rundt om i verden. Men det er rundt 100 000 sykehus rundt om i verden som kan dra nytte av billigere enheter. Vi anslår at 100 000 magnetokardiografsystemer kunne selges hvis funksjonaliteten var den samme som eksisterende SQUID-systemer og prisen var under $150k, konkluderer de.
Det er en interessant studie. Kroppens magnetfelt er stort sett ubrukt når det gjelder medisinsk diagnostikk. Hvis Dale og Morely har rett, vil det sannsynligvis endre seg i løpet av de neste årene.
Ref: arxiv.org/abs/1705.01994 : Medisinske anvendelser av diamantmagnetometri: Kommersiell levedyktighet