حسگرهای کوانتومی با استفاده از کیوبیت‌های حالت جامد، حساسیت فوق‌العاده‌ای از خود نشان داده‌اند، فراتر از آن چیزی که با استفاده از دستگاه‌های کلاسیک ممکن است. یکی از حسگر های کوانتومی مهم، حسگرهایی هستند که بر اساس مراکز رنگی در الماس اند. این حسگر ها حساسیت بالایی نسبت به میدان مغناطیسی خارجی دارند. با توجه به ماهیت بسیار زیست سازگار الماس، سنجش نمونه های بیولوژیکی یک کاربرد کلیدی این نوع حسگر است. به طور خاص، مطالعه سیستم های زنده در مقیاس میکروسکوپی است که می تواند از طریق ثبت دما و میدان بیومغناطیسی امکان پذیر باشد.
در این تحقیق، از چنین حسگر کوانتومی ای برای ضبط میکروسکوپیک فعالیت الکتریکی، از نورون‌های مغز زنده استفاده شده است. با ثبت میدان مغناطیسی ضعیف ناشی از جریان‌های یونی در آکسون‌های مغز ، می توان سیگنال هایی از قسمت عملیات نورون های مغز ثبت کرد که در فارموکولوژی بسیار مورد استفاده هستند.
برخلاف تکنیک‌های موجود برای ثبت فعالیت مغزی ، که نیاز به تعامل مستقیم بالقوه آسیب‌رسان دارند، این حسگر کاملاً از نمونه دور هستند. نتایج این آزمایش یک راه جدید و امیدوارکننده برای ثبت میکروسکوپیک سیگنال‌های عصبی باز میکند؛ چراکه هدف نهایی این آزمایش ها تصویربرداری میکروسکوپیک از فعالیت الکتریکی مغز پستانداران زنده است.
در شکل بالا اصل عملکرد سنسور و محل برش مغز آمده است. در قسمت (a) شماتیک عملکرد حسگر نشان داده شده است در آن نور لیزر سبز که به مراکز رنگی زیرسطحی (NV) در الماس هدایت میشود، این اتفاق امکان ثبت میدان مغناطیسی ناشی ازنورون ها(cap) را در یک برش بافت مغزی که بالای الماس قرار دارد، را فراهم میکند. قسمت(b) شماتیک جانبی از عملکرد سنسور با مراکز رنگی روشن شده توسط لیزر پمپ 532 نانومتری را نشان میدهد، که میدان القا مرتبط با نورون ها در مغز، را ثبت می کند. لیزر پمپ توسط فویل نازک آلومینیوم منعکس می شود و از برش مغزی عبور نمی کند. (c) نمودار سه بعدی مغز موش، که محل برش مورد استفاده در آزمایش ها را نشان می دهد.
در شکل بالا شکل تهیه برش و شماتیک آزمایش نشان داده شده. (a) تصویری از بالا به پایین از یک برش مغز موش نشان داده شده. الکترودهای ضبط الکتریکی در جسم پینه ای مغز موش قرار دارند و مربع خاکستری تیره موقعیت الماس در زیر برش را نشان می دهد که در آن ناحیه فعال حسگر قرار دارد. (b) شماتیک جانبی محفظه ضبط، با ناحیه مرکزی بزرگ شده.
در شکل دومa یک تصویر شماتیک و تصویر نور سفید از آماده سازی برش نشان داده شده است. در شکل دومb شماتیک چگونگی ورود برش به محفظه نشان داده شده است ، دستگاه دارای یک حمام مایع مغزی نخاعی مصنوعی سرد و کربن دار (ACSF) است که در بالای حسگر قرار دارد. موقعیت برش را می توان آزادانه در محفظه دستکاری کرد، محل قرار گیری با استفاده از میکروسکوپ نور سفید نصب شده در بالای برش، تعیین می شود، این قرار گیری باید طور باشد که جسم پینه ای دقیقاً در تقریباً 300×100 میکرومتر مربع بالای الماس قرار داشته باشد. برش توسط یک لایه عایق نوری و الکتریکی با فاصله تقریباً 60 میکرومتر از الماس جدا شده است. دمای حمام بالای الماس در دمای 25 درجه سانتیگراد پایدار نگه داشته شده است. فعالیت الکتریکی در جسم پینه ای توسط یک الکترود تحریک دوقطبی پلاتین/ایریدیوم که در فاصله 1-2 میلی متری از ناحیه حسگر قرار دارد، القا میشود و جریان های یونی را در آکسون های پینه ای ایجاد میکند. برای مقایسه ضبط‌های بیومغناطیسی، به طور همزمان با یک الکترود نقره‌ای تهاجمی با پوشش AgCL که در سمت مقابل، نزدیک به محل سنجش بیومغناطیسی قرار داشت، ثبت شد. این اندازه‌گیری‌ها در تعداد محدود 3 برش انجام شده است.
شکل بالا مربوط به تشخیص نورون ها از جسم پینه ای مغز است. (a) سیگنال بیومغناطیسی ثبت شده توسط حسگر کوانتومی، با پهنای باند 2.5 کیلوهرتز پس از فیلتر کردن نمایش داده شده است. قسمت(b) مربوط به ثبت پتانسیل میدان محلی همزمان (LFP) از جسم پینه ای در همان ناحیه مغز است . در اینجا، بافت در زمان t=0ms بصورت الکتریکی تحریک شده است. مختصه های S1 و S2 به ترتیب با فعالیت آکسون های myelinated و unmyelinated مطابقت دارد. (c) دامنه S1 و S2 ثبت شده توسط پروب الکتریکی تهاجمی در مقابل ( به عنوان محور) دامنه ثبت شده مختصه ها از حسگر بیومغناطیسی نشان داده شده است. داده ها مربوط به 3 برش گرفته شده از مغز موش های مختلف است . قدرت سیگنال بیومغناطیسی به طور خطی با دامنه پتانسیل میدان محلی همزمان متناسب است. (d) همین تناسب برای تأخیر پالس ها نیز مشاهده شده است، که در اینجا برای اجزای S1 و S2 برای پروب تهاجمی و حسگر بیومغناطیسی از همان سه برش نشان داده شده است.
مشخصات حسگر الماس استفاده شده بصورت زیر است:
حسگر استفاده شده بر اساس یک کریستال الماس الکترونیکی است. الماس دارای ابعاد 2 × 2 × 0.5 میلی متر مکعب است. الماس از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD) به ضخامت تقریبی 20 میکرومتر رشد کرده و یک لایه الماس با دوپینگ N به مقدار 5PPM ایجاد شده است. تبدیل دوپنیگ N به NV با تابش پروتون با قدرت 2.8مگاالکترون ولت و سپس با بازپخت در 800 درجه سانتی گراد در در حال بدون جو به دست آمده . حسگری توسط NVهای تشکیل شده در نزدیکی سطح بالایی الماس که توسط CVD ایجاد شده بود صورت میگیرد، ضخامت باقی‌مانده الماس (مجموعاً 500 میکرومتر) کمترین سهم را در سنجش میدانی دارد.
برای استفاده از حسگر، مراکز NV با 1.2 تا 1.4 وات نور لیزر سبز 532 نانومتری حالت قطبش خطی پمپ شده است که به منظور عبور کامل با زاویه بروستر (67 درجه) به زیر الماس تابیده میشود؛ ولی هیچ نور پمپی از حمام محلول یا نمونه بیولوژیکی عبور نمی کند. نور پمپ با استفاده از یک لنز مسطح محدب با فاصله کانونی 400 میلی‌متری بر روی الماس متمرکز شده و به سطح الماسی در ابعاد تقریباً 300×100 میکرومتر برخورد کرد.
تمام روش‌ها در این کار مطابق با دستورالعمل‌های ARRIVE مطابق با دستورالعمل‌ها و مقررات ملی دانمارک انجام شد. پروتکل‌های آزمایشی در صورت لزوم توسط دانشگاه فنی دانمارک، دانشگاه کپنهاگ و کمیته ملی دانمارک در زمینه اخلاق تحقیقات سلامت (DNVK) تأیید شدند.
منبع
Nikolaj Winther Hansen et al, Microscopic-scale magnetic recording of brain neuronal electrical activity using a diamond quantum sensor, Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-39539-y
