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超極化核磁共振使分子診斷學取得重大醫學進展，例如心血管疾病或癌癥治療。在歐盟合作項目“MetaboliQs”的框架內，由 Fraunhofer IAF 和 NVision 協調的七個合作伙伴開發了一種顯微鏡方法，該方法首次能夠通過基于金剛石的超極化分析單細胞水平的代謝過程。此外，該聯盟成功地在面向應用的 MRI 實驗中使用 PHIP 方法證明了超極化。

由弗勞恩霍夫應用固態物理研究所 IAF 和 NVision Imaging Technologies GmbH 協調，這是一個由七個研究機構組成的國際財團和工業公司在用于分析代謝過程的量子顯微鏡和在“代謝物——利用無與倫比的室溫量子相干性以實現安全、同類首創、多模態”項目中應用副氫誘導極化 (PHIP) 方面取得了突破心臟成像。” 通過利用核磁共振 (NMR) 更精確、實用和高效，這些結果顯著推進了兩種有前途的改進醫學成像診斷和光譜學的方法。根據未來和新興技術 (FET) 計劃“量子旗艦”，歐盟 (EU) 自 2018 年以來資助了“MetaboliQs”。

一方面，合作者利用納米結構金剛石中氮空位中心(NV 中心)的特殊量子傳感特性，以比現有技術高 1000 倍的空間分辨率檢測 NMR 信號，證明顯微光譜學是適用于單細胞代謝分析。另一方面，研究人員首次成功證明 PHIP 量子偏振器可用于高靈敏度的臨床前體內研究，證明了現實條件下的超極化磁共振成像 (MRI)。

Fraunhofer IAF 的項目負責人 Volker Cimalla 博士對該項目的結果進行了分類：“我們的方法旨在將基于金剛石的量子傳感的獨特優勢帶入醫療應用。借助開發的量子顯微鏡，我們創造了一種獨特的研究工具這決定性地推進了細胞分析，并為醫學研究和體外診斷開辟了新的可能性。” NVision 項目協調員 Ilai Schwartz 強調：“開發的量子偏振器為實現超極化 MRI 的有前途的技術鋪平了道路。與現有方法相比，PHIP 方法具有顯著更快、更實用和更實用的優勢。在保持最大精度的同時更節省資源。”

基于金剛石的超極化改善 NMR

超極化可以克服核磁共振技術的主要缺點：靈敏度相對較低。傳統上，核磁共振波譜儀或核磁共振系統測量當外部磁場內的核自旋響應共振射頻脈沖時產生的電信號。這里的信號強度取決于所研究樣品的熱極化，即在其中磁性排列的核自旋的數量。信號通常非常微弱，因為平均而言，數十億個核自旋中只有一個是磁性對齊的。然而，超極化技術在一段時間內將大部分核自旋磁性對齊，這將 NMR 信號的強度提高了幾個數量級。

因此，通過超極化將 NMR 信號放大 100,000 倍，可以將 MRI 等醫療應用提高很多倍。可以更早地診斷心血管疾病，可以立即測試癌癥療法的效果并因此進行個性化，因為醫生能夠在分子水平上實時檢測典型的代謝過程。出于這個原因，世界各地的研究人員正在研究各種方法來開發用于醫療應用的可行超極化方法。當前的方法，例如動態核極化 (DNP)，已經非常精確，但非常耗費資源。此外，超極化狀態僅持續數秒。

“MetaboliQs”捆綁專業知識：從材料生長到原型開發再到醫學研究

有鑒于此，“MetaboliQs”項目的合作伙伴依靠合成金剛石中 NV 中心的特殊量子物理特性，Fraunhofer IAF 在元素六 (E6) 提供的優化材料上生長和納米結構。耶路撒冷希伯來大學 (HUJI) 分析了結構中的量子特性。NVision 實現了基于表征的納米金剛石芯片的原型量子顯微鏡，并在可行性研究中證明了在金剛石中使用光學極化電子自旋的超極化和以高光譜分辨率檢測超極化代謝物。Bruker BioSpin GmbH 負責評估來自 NVision 的樣品以確定自旋濃度和弛豫時間。通過設置，

最后，在臨床前體內比較研究中，慕尼黑工業大學 (TUM) 表明，同樣由 NVision 提供的量子偏振器，通過將副氫轉移到 13C 原子核來實現超極化，優于基于動態核極化的方法：在所需資源中，代謝示蹤劑的極化和集中程度以及弛豫時間明顯高于替代方法。瑞士蘇黎世聯邦理工學院 (ETH Zurich) 的研究人員成功模擬，如果將磁場強度從 3 T 降低到 1.5 T 或 0.75 T，成像中可以實現更好的信噪比。感謝PHIP量子偏振器的優越性能，即使在較弱的磁場下，MRI 結果在質量上也相當;作為回報，運行 MRI 系統的成本顯著下降。