2026年9月17日——美因茨约翰内斯·古腾堡大学（JGU）的物理学家开发出一项突破性技术，利用量子传感器测量心活动等生物磁信号。由德国联邦研究、技术和空间部资助、由美因茨的 Arne Wickenbrock 博士协调的 DIAQNOS（基于金刚石的神经外科量子传感）旗舰项目的研究人员，展示了量子技术在未来医学应用中的潜力。为此，由 Dmitry Budker 教授领导的研究团队——他是 PRISMA⁺⁺ 卓越集群和 Helmholtz Institute Mainz 的成员——使用了金刚石中的氮空位（NV），相关成果发表于近期期刊 Science Advances 上的一篇文章。Budker 研究组的博士生、该文的协调作者 Muhib Omar 在其博士研究期间开发了这种新型量子传感器。得益于其紧凑的尺寸以及能在室温下工作的能力，这种基于 NV 的传感器为改进心脏或大脑磁信号测量开辟了新途径。它可用于心肌炎或癫痫等疾病的早期检测。

当金刚石晶格中的一个空位紧邻一个取代碳原子掺入金刚石的氮原子时，就会形成 NV 色心。通过观察这些色心的能级，研究人员可以高精度地测量磁场、电场、温度和机械应力等多种物理现象。“这些结果是十多年研发工作的产物，”Arne Wickenbrock 解释道。“我们与神经外科医生密切合作，确保我们的技术不会局限于实验室，而是找到明确的实际应用。我们的首要目标是开发高灵敏度传感器，使其能在实验室外工作，并满足重要的社会需求。”

DIAQNOS 项目的研究人员使用由项目合作伙伴 JGU、斯图加特大学和弗莱堡大学以及初创公司 Q.ANT GmbH 各自独立开发的三套系统来测量心脏磁场。他们借此证明，德国的量子技术已准备好向医学应用迈出重要一步，并指出了实现这一目标仍需改进之处。JGU 开发的基于光纤的 NV 金刚石磁强计被设计为便携式内窥镜，且无需磁偏置场即可工作。这与另外两套系统形成对比，后者使用此类磁场来滤除环境中的磁干扰。

开发检测心脏信号的新方法

目前有两种常用方法测量心脏活动：心电图（ECG）和心磁图（MCG）。ECG 使用贴在患者皮肤上的电极片测量心脏内的电活动，而 MCG 方法则检测磁场。ECG 使用广泛，但易受人体组织导电性差异的影响。某些医疗场景，如烧伤创面，也可能导致无法将电极直接放置在皮肤上。相比之下，MCG 无需接触皮肤，且受组织导电性的影响很小。由于该方法需要高灵敏度磁强计，历史上一直依赖高成本、复杂的技术，例如超导量子干涉器件（SQUIDs）和光泵磁强计（OPMs）。

JGU 团队基于金刚石 NV 色心的系统是一种替代方案，相比现有 MCG 方法具有显著优势。最重要的区别是传感器尺寸小：一个体积小于 0.5 立方毫米的截顶金刚石金字塔，因此便于运输。另一个优势是，与基于 SQUID 或 OPM 的系统不同，NV 磁强计可在室温下工作。这使其适合直接用于患者皮肤，并可在任何所需位置使用。这为更精确地绘制生物磁信号提供了可能，例如心脏电传导系统的三维重建或胎儿心脏活动的测量。“NV 磁强计具有快速初始化、出色的生物相容性以及在宽温度范围内稳定工作的特点。这使其对生物医学应用特别有吸引力，”Arne Wickenbrock 总结道。

潜力巨大，但技术挑战依然存在

尽管该研究展示了 NV 金刚石磁强计的前景，但与 SQUID 和 OPM 相比仍存在性能差距，后者仍具有更高的灵敏度和更好的信噪比。然而，随着研发不断推进，临床领域之外的应用可能性正在出现：宽动态范围、噪声抑制和可扩展几何结构的独特组合，使 NV 磁强计适用于各种新型生物医学应用。

得益于其紧凑的尺寸，这些探测器可以轻松与改进机制结合，从而使其达到类似 ECG 的质量。此类机制的一个例子是所谓的磁通集中器：这些结构可以将磁通量集中在金刚石内，从而放大磁信号。得益于 NV 传感器的小体积，可以实现超过 100 倍的放大。研发可在室温下工作的磁通集中器是 Muhib Omar 的主要关注领域之一。“调整磁性结构，以最佳方式将来自源的磁力线集中到金刚石内，是将这些量子技术投入实际应用的途径。”另一个应用领域是外科肿瘤学。在这种情况下，需要测量构成梯度计的两个空间分离传感器之间的磁场差。该方法还支持在无屏蔽环境中的术中神经监测。对磁场梯度的空间灵敏度还有助于例如无创分离母体和胎儿心脏信号，以进行产前监测。最重要的是，NV 梯度计可使便携式脑磁图系统在室温下运行，从而为神经诊断或下一代脑机接口（BCIs）开辟新的可能性。