簡述基于金剛石量子技術的醫(yī)療成像應用

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，量子態(tài)的獨特性能為開發(fā)測量磁場、溫度和電場等變量的高靈敏傳感器提供了巨大潛力。不過，至今該技術的應用仍存在局限性，因為量子態(tài)（量子比特）需要被孤立和冷卻以優(yōu)化測量，這對工程人員提出了控制挑戰(zhàn)。金剛石憑借其獨特的性質(zhì)，或能解決其中的部分挑戰(zhàn)。

Element Six（元素六，E6）公司首席技術專家Daniel Twitchen稱，該公司開發(fā)的化學氣相沉積（CVD）金剛石生長工藝，為金剛石在量子領域的應用鋪平了道路。

E6是戴比爾斯（De Beers）旗下企業(yè)，于2020年6月開始供應一種通用量子級CVD金剛石。這種特殊的金剛石被稱為DNV-B1，它可作為研究氮空位（NV）系統(tǒng)的一種合適的起始材料，可用于量子演示、脈射器、射頻輻射探測、陀螺儀、傳感以及從無GPS導航到醫(yī)療成像等其它新興應用。

Twitchen表示：“金剛石是一種非凡的特殊材料，具有多種特性，可廣泛應用于智能手機加工、汽車制造用高功率激光器以及高端音響系統(tǒng)等領域。現(xiàn)在，得益于技術的不斷進步，工程級量子位合成金剛石材料正在為下一代量子磁傳感器鋪平道路?！?/p>

金剛石技術

量子力學的進步推動了激光和晶體管等領域的創(chuàng)新。量子技術的下一波浪潮將源于對量子疊加和糾纏等特性的操縱。

然而，極端“脆弱”的量子態(tài)帶來了很多挑戰(zhàn)。需要掌控其“脆弱性”以控制錯誤的發(fā)生并實現(xiàn)準確測量，充分利用這一令人興奮的技術。理想情況下，需要量子態(tài)與其周圍環(huán)境隔離，但是，測量往往需要和外部環(huán)境存在一定程度的相互作用。

對于這些新的應用，業(yè)界正在研究各種不同的技術解決方案，例如俘獲離子、超導體、量子點、光子和半導體缺陷等。俘獲離子很難整合，而超導電路只能在超低溫下工作。Twitchen指出，固態(tài)的金剛石很容易集成，解決了一些量子難題，并且它還具有生物相容性，可以提供高空間分辨率的磁成像。此外，它還可以在室溫或體溫下使用，因此不需要大型冷卻設備。

Twitchen說：“科學家和工程師們已經(jīng)解決了許多挑戰(zhàn)，使這些量子自旋能夠有效地用于原子級磁羅盤，測量比地球磁場低1000倍以上的磁場，空間分辨率接近納米級。從神經(jīng)元放電到心臟的跳動，幾乎所有要測量的生物系統(tǒng)都與電信號有關。這些電信號都有對應的磁場，并且，它們不會被身體里的水分和皮膚屏蔽?；谶@一生物學前提，金剛石的生物相容性為其在制藥和醫(yī)學領域開辟了從藥物開發(fā)到早期疾病診斷的新應用。”

Twitchen繼續(xù)說：“現(xiàn)在，制造超高純度合成金剛石的能力，解鎖了使其成為固態(tài)量子位完美宿主材料的潛力。最初在斯圖加特大學和哈佛大學進行的一系列開創(chuàng)性學術研究表明，金剛石NV色心具有的量子自旋，可以在室溫下使用簡單、低成本的光學技術進行操縱和讀出，從而產(chǎn)生特殊的量子特性?！?/p>

NV具有對磁場高度敏感的電子自旋，這構(gòu)成了高靈敏磁力測量的基礎。通過對材料開啟綠色LED并測量發(fā)出的紅色熒光強度，可以檢測并對準電子自旋。Twitchen說：“已經(jīng)證明，NV電子自旋可以在室溫下儲存超過1 s的量子信息?！?/p>

Quantum Diamond Technologies（QDTI）公司是一家從哈佛大學獨立出來的初創(chuàng)公司，致力于為需要在早期對蛋白質(zhì)進行超靈敏檢測的疾?。ㄈ缧呐K病、癌癥和阿爾茨海默氏癥）提供即時診斷。QDTI正在開發(fā)金剛石量子系統(tǒng)，利用NV中心支持生物分子檢測的新方法。

醫(yī)療應用

目前，許多醫(yī)學成像解決方案，例如用于磁共振成像（MRI）的超導磁體，都需要低溫冷卻系統(tǒng)，因而一般只有在大型醫(yī)院或研究機構(gòu)才可以應用。

Twitchen說，“金剛石磁力計通常利用大量NV中心來提高磁靈敏度，提供更高的空間分辨率，并且，這些都可以在室溫下進行。憑借金剛石的尺寸減小和生物相容性，使傳感器能夠更靠近或接觸生物樣本（例如患者的皮膚）。這些獨特的特性使其理想的適用于很多現(xiàn)代醫(yī)療診斷技術，例如心磁圖（MCG），它測量的是心臟中電流產(chǎn)生的磁場。

心臟病已成為全球人類死亡的重要誘因之一。因此，低成本、快速響應的金剛石量子磁力計可以幫助醫(yī)療專業(yè)人員更快、更準確地檢測心臟病，加快診斷速度，減少患者入院時間。”

由于生物樣品具有低磁性，免疫分析也可以用磁性標志物代替熒光標志物進行測量。含有NV中心的金剛石可以通過這種方法提供卓越的磁成像。QDTI已通過寬場金剛石NV磁顯微鏡在大約1平方毫米的視場上證明了單細胞分辨率，成像時間為1分鐘，用于定位磁標記細胞。Twitchen說：“這使得能夠在小型系統(tǒng)中更快的以高靈敏度分離和計數(shù)關鍵的生物標志物?！?/p>

Twitchen強調(diào)，“用戶的主要興趣不在于技術本身，而在于它的易用性，以及它使我們的日常生活變得更容易、更美好。其目的是釋放金剛石量子傳感器的潛力，使其應用簡單、可靠。金剛石傳感器與現(xiàn)有相關技術的光激勵、控制電路以及讀出電路的高效、穩(wěn)健集成還需要進一步開發(fā)。

金剛石工程師面臨的一個主要挑戰(zhàn)是將他們的解決方案集成到現(xiàn)有的支持技術中。技術革命通常要求用戶行為的改變，往往需要足夠顯著的優(yōu)勢才能推動這種改變。令人興奮的是，在討論的所有潛在應用中，這些概念已經(jīng)從一個個想法迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樵?a target="_blank">產(chǎn)品，使終端用戶可以對其進行探索和測試?！?/p>

Twitchen指出，現(xiàn)在有很多初創(chuàng)公司在利用金剛石處理量子效應，包括NVision、Qnami、QZabre、QDM.IO和QDTI等。

器件開發(fā)的另一個障礙是，要充分利用NV缺陷所需要的學習曲線，需要材料、激光、微波和量子領域的全面專業(yè)知識。最終的挑戰(zhàn)是通過優(yōu)化制造和工藝，使其最終量產(chǎn)進入最實際的應用市場。

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