En diamantbasert sensor som kartlegger de subtile elektriske strømmene inne i hjertet er utviklet av forskere i Japan. Ledet av Takayuki Iwasaki ved Tokyo Institute of Technology, baserte teamet enheten sin på fluorescensen til nitrogen-ledige (NV) sentre i diamanter. De brukte sensoren sin til å måle de magnetiske feltene skapt av elektriske strømmer som beveger seg i hjertene til levende rotter, og forskerne sier at enhetens 5.1 mm oppløsning er enestående.
Noen hjertesykdommer, inkludert takykardi og fibrillering, er forårsaket av ufullkommenhet i hvordan elektriske strømmer blir formidlet gjennom hjertet. For å diagnostisere disse tilstandene bruker kardiologer magnetokardiografi (MCG): en kontaktløs teknikk som fjernmåler magnetfeltene som produseres av elektriske strømmer i hjertet.
Oppløsningen til MCG er begrenset av faktorer som sensorstørrelse og driftstemperatur. For eksempel er superlederbaserte sensorer veldig flinke til å oppdage små magnetfelt, men de må holdes ved svært lave temperaturer. Som et resultat må disse sensorene holdes et stykke unna hjertet og kan derfor ikke løse strømmer på millimeterskalaen. Dette betyr at de ikke fullt ut kan løse de intrikate rotasjonsbølgene produsert av ventrikulære arytmier.
Defekter i atomskala
For å lage en sensor med høyere oppløsning, brukte teamet til Iwasaki nitrogen ledighet (NV) sentre – som er atomskala defekter i diamant. I et NV-senter er et par tilstøtende karbonatomer i diamantgitteret erstattet av et nitrogenatom og et tomt rom. Et NV-senter er i hovedsak et isolert kvantespinn som er svært følsomt for et eksternt magnetfelt. Dessuten sender den ut fluorescerende lys på en måte som er avhengig av intensiteten og retningen til feltet. Disse egenskapene kan kombineres for å lage en magnetisk sensor med en optisk avlesning.
Kvantesensor kan oppdage SARS-CoV-2
Iwasaki og kollegene laget en sensor fra en diamantbrikke med høy tetthet av NV-sentre. Ved romtemperatur plasserte de sensoren bare noen få millimeter fra hjertene til levende rotter. NV-sentrene ble belyst med en grønn laser og en fotodiode ble brukt for å fange det utsendte fluorescerende lyset. Iwasakis team utviklet også en matematisk modell for å oversette fluorescensmålingene til de tilsvarende magnetfeltene. Dette tillot dem å produsere detaljerte 2D-bilder av elektrisk aktivitet i hjertene, og oppnå en oppløsning på 5.1 mm. Forskerne håper at sensorene deres kan gjøre det mye lettere for kardiologer å studere opprinnelsen og progresjonen til mange forskjellige typer hjertesykdommer hos pasienter – noe som potensielt kan føre til nye metoder for å diagnostisere og behandle disse sykdommene. Med ytterligere forbedringer kan sensoren også brukes til å oppdage enda mer subtile elektriske strømmer produsert i andre deler av kroppen.
Forskningen er beskrevet i Kommunikasjonsfysikk.
