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Quantensensoren aus Diamant messen Herzaktivität
Mainzer Physiker nutzen Stickstoff-Fehlstellen in Diamanten, um biomagnetische Herzsignale zu erfassen – ohne Hautkontakt und bei Raumtemperatur.
Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben eine neue Generation von Quantensensoren entwickelt, die biomagnetische Signale wie die Herzaktivität messen können. Forschende des vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt geförderten Leuchtturmprojekts DIAQNOS (DIAmond based Quantum sensing for NeurOSurgery) haben das Potenzial der Quantentechnologie für zukünftige medizinische Anwendungen aufgezeigt. Dafür haben die Forschenden der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dmitry Budker – Mitglied des Exzellenzclusters PRISMA++ und des Helmholtz-Instituts Mainz – Stickstoff-Fehlstellen (NV, vom englischen „Nitrogen Vacancy") in Diamanten genutzt, wie sie in einem aktuellen Artikel in der Fachzeitschrift Science Advances berichten. Muhib Omar, Doktorand bei der Arbeitsgruppe von Budker und koordinierender Autor des Artikels, hat den neuen Quantensensor während seiner Doktorarbeit entwickelt. Dank seiner kompakten Größe und seiner Fähigkeit, bei Raumtemperatur zu funktionieren, eröffnet dieser NV-basierte Sensor neue Wege zur Verbesserung der Messung magnetischer Signale aus dem Herzen oder dem Gehirn. Er könnte zur Früherkennung und Behandlung von Erkrankungen wie Myokarditis oder Epilepsie eingesetzt werden.
NV-Zentren sind winzige Defekte im Kohlenstoffgitter von Diamanten. Sie entstehen, wenn sich eine Fehlstelle im Diamantgitter direkt neben einem Stickstoffatom befindet, das anstelle eines Kohlenstoffatoms in den Diamanten eingebaut wurde. Durch die Beobachtung der Energieniveaus dieser Zentren können Forschende eine Vielzahl physikalischer Phänomene wie magnetische oder elektrische Felder, Temperatur und mechanische Belastung mit hoher Präzision erfassen. „Diese Ergebnisse sind das Produkt von über zehn Jahren Entwicklungsarbeit", erklärt Arne Wickenbrock. „Dabei arbeiten wir eng mit Neurochirurgen zusammen, um sicherzustellen, dass unsere Technologien nicht im Labor verbleiben, sondern klare Anwendungsmöglichkeiten finden. Unser oberstes Ziel ist es, hochempfindliche Sensoren zu entwickeln, die auch außerhalb des Labors funktionieren und wichtige gesellschaftliche Aufgaben erfüllen können."
Die Forschenden im Projekt DIAQNOS haben drei unabhängig voneinander entwickelte Systeme der Verbundpartner JGU, Universität Stuttgart und Universität Freiburg sowie des Start-ups Q.ANT GmbH benutzt, um das Herzmagnetfeld zu messen. Damit haben sie demonstriert, dass Quantentechnologien in Deutschland bereit sind, den wichtigen Schritt in die medizinischen Anwendungen zu gehen, und aufgezeigt, welche Verbesserungen dafür noch nötig sind. Das von der JGU entwickelte faserbasierte NV-Diamant-Magnetometer wurde als transportables Endoskop konzipiert und wird ohne magnetisches Vorspannungsfeld betrieben. Im Gegensatz dazu nutzen die beiden anderen Systeme solche Felder, um magnetische Umgebungsstörungen herauszufiltern.
Neue Methode zur Erfassung von Herzsignalen
Zur Messung der Herzaktivität gibt es derzeit zwei gängige Methoden: die Elektrokardiographie (EKG) und die Magnetokardiographie (MKG). Beim EKG werden Elektrodenpflaster auf die Haut des Patienten aufgebracht, um die elektrische Aktivität im Herzen zu messen. MKG-Verfahren erfassen dagegen Magnetfelder. Das EKG ist weit verbreitet, unterliegt jedoch den unterschiedlichen Leitfähigkeiten des Körpergewebes. Bestimmte medizinische Situationen, wie zum Beispiel Verbrennungen, können es zudem unmöglich machen, Elektroden direkt auf der Haut anzubringen. Im Gegensatz dazu benötigt die MKG keinen Hautkontakt und wird nur minimal von der Gewebeleitfähigkeit beeinflusst. Da diese Methode hochempfindliche Magnetometer erfordert, stützte sie sich in der Vergangenheit auf kostspielige und komplexe Technologien wie supraleitende Quanteninterferenzgeräte (SQUID) und optisch gepumpte Magnetometer (OPM).
Das System der JGU-Gruppe auf Basis von NV-Zentren in Diamanten ist eine Alternative, die gegenüber den bestehenden MKG-Verfahren deutliche Vorteile bietet. Der wichtigste Unterschied ist die geringe Größe des Sensors: Eine abgestumpfte Diamantpyramide mit einem Volumen von weniger als 0,5 Kubikmillimetern macht ihn leicht transportierbar. Ein weiterer Vorteil ist, dass NV-Magnetometer im Gegensatz zu SQUID- oder OPM-basierten Systemen bei Raumtemperatur funktionieren. Dadurch eignen sie sich für den direkten Einsatz auf der Haut des Patienten und können an jeder beliebigen Stelle angewendet werden. Dies eröffnet die Möglichkeit einer genaueren Kartierung biomagnetischer Signale, zum Beispiel der 3D-Rekonstruktion der elektrischen Reizleitung des Herzens oder die Messung von fötaler Herzaktivität. „NV-Magnetometer zeichnen sich durch eine schnelle Initialisierung, hervorragende Biokompatibilität und einen stabilen Betrieb über einen breiten Temperaturbereich aus. Das macht sie besonders attraktiv für biomedizinische Anwendungen", fasst Arne Wickenbrock zusammen.
Großes Potenzial, technische Herausforderungen bestehen jedoch weiterhin
Obwohl die Studie das Potenzial von NV-Diamant-Magnetometern zeigt, besteht weiterhin eine Leistungslücke gegenüber SQUIDs und OPMs, da diese eine höhere Empfindlichkeit und daher bessere Signal-zu-Rausch-Verhältnisse bieten. Im Zuge der weiteren Entwicklung eröffnen sich jedoch Anwendungsmöglichkeiten über den klinischen Bereich hinaus: Die einzigartige Kombination aus hohem Dynamikbereich, Rauschunterdrückung und skalierbarer Geometrie qualifiziert NV-Magnetometer für verschiedene neuartige biomedizinische Anwendungen.
Dank ihrer kompakten Größe lassen sich die Detektoren gut mit Verbesserungsmechanismen kombinieren, durch die sie eine EKG-ähnliche Qualität erreichen könnten. Ein Beispiel für solche Mechanismen sind sogenannte Fluxkonzentratoren: Strukturen, die den magnetischen Fluss in den Diamanten konzentrieren können und somit magnetische Signale verstärken. Dank des geringen NV-Sensor-Volumens lassen sich damit Verstärkungen von mehr als Faktor 100 realisieren. Die Erforschung und Entwicklung von Fluxkonzentratoren, die bei Raumtemperatur funktionieren, ist einer der Schwerpunkte von Muhib Omar. „Das Anpassen magnetischer Strukturen, um die magnetischen Feldlinien einer Quelle optimal in den Diamanten zu konzentrieren, ist der Weg, diese Quantentechnologien in die Anwendung zu bringen." Ein weiteres Anwendungsfeld ist die chirurgische Onkologie. Dabei wird die Magnetfelddifferenz zwischen zwei räumlich getrennten Sensoren gemessen. Die Methode unterstützt zudem die intraoperative Nervenüberwachung in nicht abgeschirmten Umgebungen. Die räumliche Sensitivität für Feldgradienten erleichtert zum Beispiel auch die nichtinvasive Trennung der Herzsignale von Mutter und Fötus für die pränatale Überwachung. Vor allem könnten NV-Gradiometer tragbare Magnetenzephalographie-Systeme bei Raumtemperatur ermöglichen und somit neue Möglichkeiten für die neurologische Diagnostik oder Gehirn-Computer-Schnittstellen der nächsten Generation eröffnen.
Quelle: Exzellenzcluster PRISMA++, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
17.09.2026
