钻石可以用光学显微镜和MRI进行更好的成像

当医生或科学家想要窥视活体组织时，在他们能探测到多深和能得到多清晰的图像之间总是有一个取舍。

利用光学显微镜，研究人员可以看到细胞或组织内部亚微米分辨率的结构，但只能看到毫米左右的深度，这样光就可以穿透而不会散射。磁共振成像(MRI)使用的无线电频率可以到达身体的任何地方，但是这种技术提供的分辨率很低——大约1毫米，比光差1000倍。

加州大学伯克利分校的一名研究人员发现，显微镜下的钻石示踪剂可以同时通过核磁共振成像和光学荧光技术提供信息，这有可能让科学家在组织表面以下1厘米处获得高质量的图像，比光深10倍。

通过使用两种观察模式，该技术还可以实现更快的成像。这项技术将主要用于研究体外细胞和组织，探测血液或其他液体中疾病的化学标记物，或用于动物的生理研究。

加州大学伯克利分校的化学助理教授Ashok Ajoy说:“这可能是第一次证明同一个物体可以同时在光学和超极化磁共振成像中成像。”“你可以结合获得大量的信息，因为这两种模式比它们的部分之和更好。这开辟了许多可能性，你可以将这些钻石示踪剂在介质中的成像速度提高几个数量级。”

这项技术利用了一种相对新型的生物示踪剂:微钻石的一些碳原子被踢出并被氮取代，在晶体中留下空点——氮空点——当被激光击中时发出荧光。

Ajoy利用了一种碳-碳-13 (C-13)的同位素，这种同位素在钻石颗粒中自然存在，浓度约为1%，但也可以通过替换许多主要的碳原子——碳-12来进一步富集。碳13核更容易被附近的自旋极化空位中心对齐或极化，这些空位中心在被激光照射后发出荧光的同时变得极化。极化的C-13核可以为核磁共振(NMR)提供更强的信号，这是MRI的核心技术。

因此，这些超偏振光钻石既可以通过光学(因为荧光氮空位中心)检测到，也可以通过无线电频率(因为自旋偏振光碳13)检测到。这使得两种最佳技术可以同时成像，尤其有利于观察散射可见光的组织内部深处。

“当你进入深层组织时，光学成像会严重受损。甚至超过1毫米，你会得到很多光散射。这是一个大问题。”“这里的优势是，成像可以在无线电频率和光学光使用相同的钻石示踪剂。你用于人体内部成像的核磁共振成像同样可以用于成像这些钻石颗粒，即使光学荧光特征完全分散。”

Ajoy专注于改进核磁共振(一种识别分子的非常精确的方法)和它的医学成像对等物核磁共振(MRI)，希望能降低成本并缩小机器的体积。核磁共振和核磁共振的一个局限性是，需要大型、强大和昂贵的磁铁来对齐或极化样本或人体内部分子的核自旋，以便它们能被无线电波脉冲探测到。但人类无法承受一次获得大量自旋极化所需的非常高的磁场，这将提供更好的图像。

克服这个问题的一种方法是调整你想要检测的原子的核自旋，这样更多的原子就会朝着同一个方向排列，而不是随机排列。随着更多的自旋对齐，也就是所谓的超极化，无线电检测到的信号就会更强，可以使用更弱的磁铁。

在他最新的实验中，Ajoy使用了一个相当于廉价冰箱磁铁和廉价绿色激光的磁场来超极化微钻石晶格中的碳13原子。

“事实证明，如果你用光照射这些粒子，你可以将它们的自旋对齐到一个非常非常高的程度——大约比MRI机器的自旋对齐高3到4个数量级，”Ajoy说。“与医院使用1.5特斯拉磁场的传统核磁共振成像相比，碳的有效极化就像在1000特斯拉磁场中一样。”

当钻石被定位到细胞或组织中的特定位置时——例如，抗体经常与荧光示踪剂一起使用——它们可以被核磁共振超极化C-13成像和钻石中氮空位中心的荧光检测到。氮空位中心钻石已经被广泛地用作荧光本身的示踪剂。

他说:“我们展示了这些钻石粒子的一个很酷的特性，即它们自旋偏振，因此在磁共振成像中它们可以发出非常明亮的光，但它们也发出荧光。”“赋予它们自旋偏振的东西也让它们发出光学荧光。”