金刚石量子技术的医疗成像应用
2021-06-26 10:05:01   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询介绍，量子态的独特性能为开发测量磁场、温度和电场等变量的高灵敏传感器提供了巨大潜力。不过，至今该技术的应用仍存在局限性，因为量子态（量子比特）需要被孤立和冷却以优化测量，这对工程人员提出了控制挑战。金刚石凭借其独特的性质，或能解决其中的部分挑战。

Element Six（元素六，E6）公司首席技术专家Daniel Twitchen称，该公司开发的化学气相沉积（CVD）金刚石生长工艺，为金刚石在量子领域的应用铺平了道路。

E6是戴比尔斯（De Beers）旗下企业，于2020年6月开始供应一种通用量子级CVD金刚石。这种特殊的金刚石被称为DNV-B1，它可作为研究氮空位（NV）系统的一种合适的起始材料，可用于量子演示、脉射器、射频辐射探测、陀螺仪、传感以及从无GPS导航到医疗成像等其它新兴应用。

Twitchen表示：“金刚石是一种非凡的特殊材料，具有多种特性，可广泛应用于智能手机加工、汽车制造用高功率激光器以及高端音响系统等领域。现在，得益于技术的不断进步，工程级量子位合成金刚石材料正在为下一代量子磁传感器铺平道路。”

微波辅助化学气相沉积法制备的高纯度单晶合成金刚石片

金刚石技术

量子力学的进步推动了激光和晶体管等领域的创新。量子技术的下一波浪潮将源于对量子叠加和纠缠等特性的操纵。

然而，极端“脆弱”的量子态带来了很多挑战。需要掌控其“脆弱性”以控制错误的发生并实现准确测量，充分利用这一令人兴奋的技术。理想情况下，需要量子态与其周围环境隔离，但是，测量往往需要和外部环境存在一定程度的相互作用。

对于这些新的应用，业界正在研究各种不同的技术解决方案，例如俘获离子、超导体、量子点、光子和半导体缺陷等。俘获离子很难整合，而超导电路只能在超低温下工作。Twitchen指出，固态的金刚石很容易集成，解决了一些量子难题，并且它还具有生物相容性，可以提供高空间分辨率的磁成像。此外，它还可以在室温或体温下使用，因此不需要大型冷却设备。

Twitchen说：“科学家和工程师们已经解决了许多挑战，使这些量子自旋能够有效地用于原子级磁罗盘，测量比地球磁场低1000倍以上的磁场，空间分辨率接近纳米级。从神经元放电到心脏的跳动，几乎所有要测量的生物系统都与电信号有关。这些电信号都有对应的磁场，并且，它们不会被身体里的水分和皮肤屏蔽。基于这一生物学前提，金刚石的生物相容性为其在制药和医学领域开辟了从药物开发到早期疾病诊断的新应用。”

Twitchen继续说：“现在，制造超高纯度合成金刚石的能力，解锁了使其成为固态量子位完美宿主材料的潜力。最初在斯图加特大学和哈佛大学进行的一系列开创性学术研究表明，金刚石NV色心具有的量子自旋，可以在室温下使用简单、低成本的光学技术进行操纵和读出，从而产生特殊的量子特性。”

NV具有对磁场高度敏感的电子自旋，这构成了高灵敏磁力测量的基础。通过对材料开启绿色LED并测量发出的红色荧光强度，可以检测并对准电子自旋。Twitchen说：“已经证明，NV电子自旋可以在室温下储存超过1 s的量子信息。”

Quantum Diamond Technologies（QDTI）公司是一家从哈佛大学独立出来的初创公司，致力于为需要在早期对蛋白质进行超灵敏检测的疾病（如心脏病、癌症和阿尔茨海默氏症）提供即时诊断。QDTI正在开发金刚石量子系统，利用NV中心支持生物分子检测的新方法。

尺寸接近鞋盒大小的金刚石量子磁力计

医疗应用

目前，许多医学成像解决方案，例如用于磁共振成像（MRI）的超导磁体，都需要低温冷却系统，因而一般只有在大型医院或研究机构才可以应用。

Twitchen说，“金刚石磁力计通常利用大量NV中心来提高磁灵敏度，提供更高的空间分辨率，并且，这些都可以在室温下进行。凭借金刚石的尺寸减小和生物相容性，使传感器能够更靠近或接触生物样本（例如患者的皮肤）。这些独特的特性使其理想的适用于很多现代医疗诊断技术，例如心磁图（MCG），它测量的是心脏中电流产生的磁场。心脏病已成为全球人类死亡的重要诱因之一。因此，低成本、快速响应的金刚石量子磁力计可以帮助医疗专业人员更快、更准确地检测心脏病，加快诊断速度，减少患者入院时间。”

由于生物样品具有低磁性，免疫分析也可以用磁性标志物代替荧光标志物进行测量。含有NV中心的金刚石可以通过这种方法提供卓越的磁成像。QDTI已通过宽场金刚石NV磁显微镜在大约1平方毫米的视场上证明了单细胞分辨率，成像时间为1分钟，用于定位磁标记细胞。Twitchen说：“这使得能够在小型系统中更快的以高灵敏度分离和计数关键的生物标志物。”

利用量子金刚石显微镜进行单细胞磁成像

Twitchen强调，“用户的主要兴趣不在于技术本身，而在于它的易用性，以及它使我们的日常生活变得更容易、更美好。其目的是释放金刚石量子传感器的潜力，使其应用简单、可靠。金刚石传感器与现有相关技术的光激励、控制电路以及读出电路的高效、稳健集成还需要进一步开发。金刚石工程师面临的一个主要挑战是将他们的解决方案集成到现有的支持技术中。技术革命通常要求用户行为的改变，往往需要足够显著的优势才能推动这种改变。令人兴奋的是，在讨论的所有潜在应用中，这些概念已经从一个个想法迅速转变为原型产品，使终端用户可以对其进行探索和测试。”

Twitchen指出，现在有很多初创公司在利用金刚石处理量子效应，包括NVision、Qnami、QZabre、QDM.IO和QDTI等。

器件开发的另一个障碍是，要充分利用NV缺陷所需要的学习曲线，需要材料、激光、微波和量子领域的全面专业知识。最终的挑战是通过优化制造和工艺，使其最终量产进入最实际的应用市场。

延伸阅读：

《传感器技术和市场趋势-2020版》

《医疗诊断领域的人工智能-2020版》