Kvantemekaniske fænomener i diamanter hjælper læger med at vurdere, hvor effektiv en kræftbehandling har været.
Man skulle ikke tro, at diamanter havde noget med kræftbehandling at gøre. Men faktisk kan de forbedre patienternes chance for overlevelse.
”Med traditionelle teknikker er det næsten umuligt at fastslå, om en kræftbehandling har været 100 pct. eller 99,9 pct. effektiv. Forskellen kan have store konsekvenser, fordi man risikerer, at selv et lille antal overlevende kræftceller spreder sig i kroppen. En kvantemekanisk diamantsensor vil være så følsom, at vi kan finde selv ganske få kræftceller blandt en stor mængde raske celler,” siger lektor Alexander Huck, DTU Fysik.
Diamanterne er dog ikke købt hos en juveler. De er kunstigt fremstillede, og på overfladen er de forsynet med et mikrometertyndt lag med de særlige egenskaber, der er nødvendige for målingerne.
Metoden bygger på magnetiske biomarkører, som er i stand til at binde sig til kræftceller, men ikke til raske celler. Dette er i sig selv en kendt metode. Det svære kommer først nu: For selvom man har skabt en karakteristisk magnetisk forskel på de to typer af celler, kræver det en ekstremt følsom sensor at bestemme så svage magnetfelter som dem, der er omkring hver enkelt markør. Alexander Huck illustrerer:
”Det mest kendte eksempel på en magnetfeltsensor er et kompas. Kompasset er jo følsomt over for Jordens magnetfelt. Det reagerer på forskelle i størrelsesordenen 30-40 mikrotesla. De forskelle, som vi interesserer os for i forbindelse med cancerdiagnostik, er i størrelsesordenen et par snese nanotesla.”
En mikrotesla (10-6 tesla) er tusind nanotesla (10-9 tesla). Med andre ord skal de nye sensorer som minimum have tusind gange så høj følsomhed som et almindeligt kompas.
Grønt lys ind, rødt lys ud
Diamantsensoren giver en opløsning på ca. 1 mikrometer.
”Det er tilstrækkeligt til, at vi kan skelne biologiske celler. Vi håber, at vi vil kunne afsløre og isolere enkelte cancerceller blandt en million raske celler. Måske endda blandt 10 millioner raske celler,” siger Alexander Huck.
Men hvorfor benytter man netop diamanter til at undersøge magnetfeltet? Diamanter består af kulstofatomer, der sidder i et fast tredimensionalt mønster. En helt ren diamant vekselvirker ikke med magnetfelter og ville derfor være uegnet som sensor.
Imidlertid har Alexander Huck i samarbejde med forskere fra universiteterne i Ulm og Leipzig indarbejdet defekter i diamanterne. I hver defekt er et kulstofatom erstattet af et nitrogenatom. Ændringen skaber samtidig huller i gitteret af kulstofatomer, hvor enkelte kulstofatomer mangler. Diamanten varmes derpå op til ca. 800 grader. Det får hullerne til at bevæge sig gennem strukturen, indtil de er ved siden af et nitrogenatom. Derefter binder nitrogenatom og hul sig til en samlet struktur, et ’nv-center’ (nv står for nitrogen vacance). Effekten af centret er, at lys fra den grønne del af spektret bliver absorberet. I stedet udsender centeret rødt lys.
To slags spin på samme tid
Centeret i diamanten har desuden et elektronspin (se forklaringen side 16). Spinnet – som enten kan være op eller ned – afgør, hvor meget rødt lys der bliver udsendt. Ud over at spinnet enten kan være op eller ned, er det også underlagt periodiske ændringer – på samme måde som Jorden ikke kun drejer rundt om sig selv, men også forskyder aksen for sin rotation. Hastigheden og størrelsen af disse periodiske ændringer er følsomme over for det omgivende magnetfelt. Med andre ord er det muligt at undersøge magnetfeltet ved at måle de periodiske ændringer i spinnet. Det gøres ved at lyse grønt på defektcentrene og detektere, hvor meget rødt lys der derefter bliver udsendt.
Metoden udnytter den såkaldte superposition, som er det kvantemekaniske fænomen, der består i, at en partikel kan befinde sig i to tilstande samtidig. ”Nærmere bestemt sørger vi for, at elektronens spin er op og ned på samme tid. De to typer af spin i centeret udvikler sig forskelligt i et magnetfelt. Ved at aflæse, hvordan såvel op- som ned-komponenten af spin har udviklet sig, kan vi bestemme magnetfeltet,” forklarer Alexander Huck og tilføjer, at det er ideelt at måle på magnetfelter i forbindelse med medicinske skanninger.
”I modsætning til eksempelvis elektriske felter, som forstyrres betydeligt af mødet med væv, blod og knogler, er magnetfelter stort set upåvirkede.”
Fra laboratoriet til hospitalet
Samtidig er der en række fordele ved diamanter i medicinsk sammenhæng. Der er tale om et meget robust materiale, og der er ingen sundhedsmæssig risiko ved at bringe dem i kontakt med kroppen.
Selve idéen om at benytte diamanter som magnetfeltsensorer kan gruppen på DTU Fysik ikke tage æren for. Den opstod i 1990’erne, og siden har adskillige internationale grupper arbejdet på at gøre den til virkelighed. Et tværfagligt samarbejde med partnere fra DTU Elektro, Hvidovre Hospital og Philips Biocell giver imidlertid Alexander Huck og hans kolleger et forspring især i forhold til de mulige medicinske behandlinger:
”Vi kan allerede sige, at metoden er relevant for fase to-cancerpatienter. Altså patienter, som har gennemgået en kræftbehandling, og hvor lægerne ønsker at fastslå, hvor effektiv behandlingen har været. Men der er et stykke vej fra at have en relevant metode til at have et apparat, som man kan stille op på et hospital. Næste skridt er, at vi i samarbejde med kolleger på DTU Nanotech forsøger at finde den rigtige udformning af udstyret.”
Et væld af medicinske muligheder
Alexander Huck forventer, at en første version af udstyret vil være klar om to år. Derefter kan man gå forskellige veje:
”Hvis vi beslutter, at den videre udvikling bedst kan ske i en ny virksomhed, vil det bedste tidspunkt formentlig være, når vi har den første prototype klar. Altså om ca. to år. Men der er naturligvis også andre muligheder. For eksempel at indgå et samarbejde med en eksisterende medikoteknisk virksomhed.”
I den forbindelse skal det med i overvejelserne, hvor bredt udstyret skal anvendes.
”De mulige anvendelser er på ingen måde begrænset til kræftområdet. Hver gang en elektron bevæger sig fra A til B, opstår der et lille lokalt magnetfelt. Har man en magnetfeltsensor, der er følsom nok, kan man detektere mange processer i kroppen. Samtidig er det jo en skånsom teknik, fordi man hverken skal skære i kroppen eller indføre sonder. Derfor vil det være oplagt at bruge den på kritiske områder i kroppen som eksempelvis hjernen eller hjertet.”
Læs de øvrige Dynamo-artikler om kvanteteknologi her:
Det globale kvantekapløb er i gang
Kvantesamfundets fortrop
Kvantecomputere kræver ny kryptering