Forscher in Japan haben einen diamantbasierten Sensor entwickelt, der die subtilen elektrischen Ströme im Herzen aufzeichnet. Angeführt von Takayuki Iwasaki am Tokyo Institute of Technology basierte das Team sein Gerät auf der Fluoreszenz von Stickstoff-Fehlstellen (NV)-Zentren in Diamanten. Sie verwendeten ihren Sensor, um die Magnetfelder zu messen, die durch elektrische Ströme erzeugt werden, die in den Herzen lebender Ratten fließen, und die Forscher sagen, dass die 5.1-mm-Auflösung des Geräts beispiellos ist.
Einige Herzkrankheiten, einschließlich Tachykardie und Flimmern, werden durch Unzulänglichkeiten bei der Übertragung elektrischer Ströme durch das Herz verursacht. Um diese Erkrankungen zu diagnostizieren, verwenden Kardiologen die Magnetokardiographie (MCG): eine kontaktlose Technik, die die durch elektrische Ströme im Herzen erzeugten Magnetfelder aus der Ferne misst.
Die Auflösung von MCG wird durch Faktoren wie Sensorgröße und Betriebstemperatur begrenzt. Sensoren auf Supraleiterbasis sind beispielsweise sehr gut darin, kleine Magnetfelder zu erkennen, müssen aber auf sehr niedrigen Temperaturen gehalten werden. Daher müssen diese Sensoren in einiger Entfernung vom Herzen gehalten werden und können daher Ströme im Millimeterbereich nicht auflösen. Das bedeutet, dass sie die komplizierten Rotationswellen, die von ventrikulären Arrhythmien erzeugt werden, nicht vollständig auflösen können.
Atomare Defekte
Um einen Sensor mit höherer Auflösung zu entwickeln, verwendete Iwasakis Team Stickstoff-Fehlstellen (NV)-Zentren – das sind atomare Defekte in Diamant. In einem NV-Zentrum ist ein Paar benachbarter Kohlenstoffatome im Diamantgitter durch ein Stickstoffatom und eine Leerstelle ersetzt. Ein NV-Zentrum ist im Wesentlichen ein isolierter Quantenspin, der sehr empfindlich auf ein externes Magnetfeld reagiert. Darüber hinaus emittiert es fluoreszierendes Licht in Abhängigkeit von der Intensität und Richtung des Feldes. Diese Eigenschaften können kombiniert werden, um einen Magnetsensor mit optischer Anzeige zu schaffen.
Quantensensor könnte SARS-CoV-2 erkennen
Iwasaki und Kollegen schufen einen Sensor aus einem Diamantchip mit einer hohen Dichte an NV-Zentren. Sie arbeiteten bei Raumtemperatur und positionierten den Sensor nur wenige Millimeter vom Herzen lebender Ratten entfernt. Die NV-Zentren wurden mit einem grünen Laser beleuchtet und eine Photodiode wurde verwendet, um das emittierte Fluoreszenzlicht einzufangen. Iwasakis Team entwickelte auch ein mathematisches Modell, um die Fluoreszenzmessungen in die entsprechenden Magnetfelder zu übersetzen. Dadurch konnten sie detaillierte 2D-Bilder der elektrischen Aktivität im Herzen erstellen und dabei eine Auflösung von 5.1 mm erreichen. Die Forscher hoffen, dass ihre Sensoren es Kardiologen wesentlich erleichtern könnten, den Ursprung und das Fortschreiten vieler verschiedener Arten von Herzerkrankungen bei Patienten zu untersuchen – was möglicherweise zu neuen Methoden zur Diagnose und Behandlung dieser Krankheiten führen könnte. Mit weiteren Verbesserungen könnte der Sensor auch verwendet werden, um noch subtilere elektrische Ströme zu erkennen, die in anderen Körperteilen erzeugt werden.
Die Forschung ist beschrieben in Kommunikationsphysik.
