顺磁性材料(顺磁性材料对t1t2的影响)

说到钻石，你会想到什么？昂贵的价格，超强的硬度，还是爱情的浪漫？你可能想不到钻石有科研价值。不是，北京大学毕业，现就读于加州大学伯克利分校的吕旭东博士把钻石和医学联系起来了。目前常用磁共振成像和光学成像来检测人体内的器官是否患病，以及生物细胞的变化。但是，它们都有各自的缺点。

陆旭东博士首次成功利用金刚石粒子实现自旋超极化，并做出了更先进的成像方法。它将磁共振和光学成像结合起来，消除了它们各自的缺陷。生物技术和医疗行业的各种测试和实验也可以依靠这项技术进一步发展。比如检测到一个本来检测不到的地方，结果会更准确，等等。

看到这一堆专业术语，你可能会有点困惑。先解释一下什么是钻石超极化。在钻石这种矿物中，有一种特殊的发光点缺陷，学名NV色心。它是顺磁性杂质，由一个取代的氮原子和一个碳原子空组成。其电子的基态为自旋三重态，电子自旋的模式对外磁场非常敏感，因此室温下相干时间内NV色心的精度可以达到毫秒级，可以定位在10nm以内。在此条件下，NV色心距待测样品的距离也小于5nm，从而实现更精确、更准确的检测。

由于NV色心具有这种极其精密的量子性质，卢旭东博士带领团队高效率地将其极化到特定的自旋态。他把钻石中电子自旋的极化转移到碳13原子的自旋上，碳13原子的极化会从很低变到很高。在整个过程中，钻石的碳原子被成功超极化，磁共振信号增加了数百到数千倍，更容易观察到。

传统磁共振利用强磁场使原子极化，但信号很弱，每次极化需要很长的弛豫时间。据吕旭东博士介绍，传统的偏振法需要几年时间才能得到信号。如果使用超极化，可能只需要一分钟。金刚石超极化技术使磁共振成像的测量信号强度、测量精度和耗时都有了质的飞跃。

如开头所述，钻石超极化是一种可以将磁共振与光学成像相结合的技术。说完磁共振，再来说说它是怎么做光学成像的。采用NV色心，是非常稳定的光子源。卢旭东博士带领团队，利用NV色心的光学特性及其超极化特性，首次实现了基于金刚石的双峰成像。与传统光学成像相比，有哪些优势？

传统的磁共振成像和光学成像无法同时达到探测深度和图像清晰度。磁共振的射频可以检测到人体的任何部位，但成像分辨率比光学成像差几个数量级。光学成像虽然有亚微米分辨率，但足够清晰；但要实现探测，光穿透物体后无法散射，最多只能到达毫米的深度，然后光就无法再往下穿透了。

而金刚石超极化技术制作的双峰成像，既有磁共振的精度和深度，又有光学成像的清晰度。以钻石为示踪剂，研究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，观测图像可以达到一加一大于二的效果。

那你可能要问了，这么先进的技术成本会很高吗？相反，传统的磁共振谱仪需要强磁场才能实现极化，成本从几十万美元到几百万美元不等。钻石超极化实现的磁共振只需要改变NV色心的自旋状态，成本甚至可以降到几千美元。说到这，你可能又有新问题了。钻石不贵吗？

与作为珠宝出售的钻石不同，用于实现超极化的钻石示踪剂只需要颗粒大小，不需要精细打磨。而且钻石虽然价格昂贵，但不同于其他需要人工合成提炼的物质，它是天然存在的。与许多高科技产品相比，钻石要便宜得多，使用起来也更方便。

最后，讨论了金刚石超极化技术的实际应用意义。以传统的技术手段来说，癌细胞病变早期是检测不出来的，但是钻石超极化的磁共振信号比传统的强几十万倍。如果以量子化的方式与癌细胞连接，或许可以得到高清成像，实现癌症早期的诊断。而且还可以用于生物细胞、血液、组织的各种研究，加快进度，提高结果的准确性，创造更多的可能性。利用量子技术的钻石超极化无疑带来了一场技术革命，这是未来医学检测发展的大趋势。