顺磁性物质(顺磁性物质对t1t2的影响)
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说起钻石,你会想到什么?昂贵的价格,超高的硬度,还是代表爱情的浪漫?你可能没有想到,钻石还具有科研价值。这不,本科毕业于北大,现就读于加州大学伯克利分校的吕旭东博士,就把钻石和医学挂上了钩。目前医学上检测人体内器官是否病变,和生物细胞的变化等情况,通常用到的手段就是磁共振和光学成像,但它们各自都存在着缺点。
而吕旭东博士首次成功用钻石微粒,实现了自旋超极化,做出了一种更加先进的成像手段。它把磁共振和光学成像结合起来,并且消除了它们各自存在的缺陷。在生物技术和医疗行业内的各种检测和实验,也能靠着这项技术进一步发展。比如探测到原本不能探测的地方,结果也更加准确等等。
看到这一堆专业名词,你估计有点懵了。那就先来解释一下,啥叫钻石超极化。在钻石这种矿物质中,有一个特殊发光点缺陷,学名叫NV色心。它是一种顺磁性杂质,由一个替代氮原子和一个碳原子空位组成。而它的电子基态为自旋三重态,而电子自旋这种模式,对外界磁场非常敏感,所以NV色心在室温下相干时间内的精度,可以达到毫秒级,定位到小于10nm。在这种条件下,NV色心距离待检测样品,也不到5nm,由此实现更精细准确的探测。
因为NV色心拥有这种极其精密的量子特性,吕旭东博士带领团队用激光,极高效率地让它极化到了特定的自旋状态。他把钻石中电子自旋的极化,转移到了碳13原子的自旋上,碳13原子的极化也会从很低变成很高的状态。整个过程下来,钻石的碳原子就成功实现了超极化,磁共振信号也因此提升了几百到几千倍,更容易被观测到。
而传统磁共振使用强磁场来极化原子,相比之下信号十分微弱,并且每次极化都要用掉较长的弛豫时间。据吕旭东博士介绍:用传统极化方式做试验,要花几年才能获取的信号,如果用超极化,可能只花一分钟。钻石超极化技术,让磁共振成像手段在被测信号强度、测量精度和花费时间上,都有了质的飞跃。
开头也说了,钻石超极化是能把磁共振和光学成像结合起来的技术。说完了磁共振,就来说说它是如何做到光学成像的。用到的还是NV色心,它是一种非常稳定的光子源。吕旭东博士带领团队,利用NV色心的光学特性和它被超极化后的特性,首次实现了基于金刚石的双模态成像。比起传统的光学成像,它又具有什么优势?
传统的磁共振和光学成像,都无法做到探测深度和图像清晰度的两全。磁共振的射频可以探测到人体任何部分,但它的成像分辨率比起光学成像要差几个数量级。而光学成像虽然拥有亚微米级的分辨率,足够清晰;但要实现探测,光线在穿透物体后就不能散射,所以它最多只能达到毫米级的深度,再往下光线就无法穿透了。
而利用钻石超极化技术做出来的双模态成像,不仅有磁共振的精度和深度,又有光学成像的清晰度。把钻石作为示踪剂,科研人员可以同时观测到碳原子的磁共振信号和荧光信号。两相结合,观测图像可以实现一加一大于二的效果。
那你可能要问了,这么先进的技术,它的成本会不会很高?恰恰相反,一台传统磁共振谱仪,要用强磁场来实现极化,成本在几十万到几百万美元不等。而钻石超极化做到的磁共振,只需要改变NV色心的自旋状态,成本甚至可以降低到几千美元。说到这里,你也许又产生了新的问题,钻石不是很贵吗?
和当做首饰来售卖的钻石有所不同,用以实现超极化的钻石示踪剂,只要微粒大小就足够了,也不用多么精致的打磨。而且钻石虽然贵,但不同于其他需要人工合成提炼的物质,它是天然存在的。比起很多高精尖技术产物,钻石可便宜太多了,而且用起来也更方便。
最后说说钻石超极化技术的实际应用意义。以传统的技术手段而言,癌细胞病变在早期都不能被检测到,但钻石超极化的磁共振信号比传统的要强几百几千倍,如果利用量子化手段,把它和癌细胞相连接,也许就能得到高清晰度的成像,实现癌症早期病情的诊断。而且,它还能用于生物细胞、血液和组织的各项研究,加快进度的同时提高结果的准确度,创造更多可能性。利用量子技术的钻石超极化,无疑带来了一场技术革命,是未来医学检测发展的大势所趋。
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