Cơ thể không chỉ phát tín hiệu điện: Quantum sensor tương lai có thể lập bản đồ những từ trường cực yếu quanh các cơ quan

Điện tim và điện não không phải là dấu vết vật lý duy nhất mà cơ thể tạo ra. Mỗi khi dòng điện sinh học chạy qua mô — từ hoạt động của tim tới tín hiệu thần kinh — nó đồng thời sinh ra một từ trường cực yếu xung quanh.

Những từ trường này đã được khai thác trong magnetocardiography (MCG) và magnetoencephalography (MEG), nhưng chúng rất khó đo: cường độ thường nằm ở vùng picotesla hoặc thấp hơn, tức hàng nghìn tỷ lần nhỏ hơn một tesla. Một nhóm tại Institute of Science Tokyo vừa phát triển một diamond quantum magnetometer nhằm giải quyết một vấn đề thực dụng hơn nhiều so với việc chỉ tăng độ nhạy: làm sao đưa cảm biến tới rất gần mô sống mà không làm nóng nó.

Trong công trình công bố trên Applied Physics Letters, nhóm của Takayuki Iwasaki báo cáo cảm biến đạt độ nhạy khoảng 3 pT/√Hz trong dải 100–400 Hz, sử dụng laser chỉ 210 mW và có thể đặt cách mẫu khoảng 2 mm. Nhiệt độ của diamond được giữ quanh 38°C trong điều kiện thử nghiệm.

Đây chưa phải một hệ thống quét toàn bộ cơ thể hay một thiết bị có thể lập bản đồ từ trường của từng cơ quan trên người. Nhóm mới thử cảm biến với một dry phantom mô phỏng tín hiệu từ não. Nhưng kết quả cho thấy ba yêu cầu vốn khó đi cùng nhau — độ nhạy cao, khoảng cách đo ngắn và nhiệt thấp — có thể được đạt đồng thời trên một nền tảng quantum sensor hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Cơ thể tạo ra từ trường ở đâu?

Tế bào thần kinh và cơ tim hoạt động nhờ sự di chuyển của ion qua màng tế bào. Những dòng điện vi mô này cộng lại thành các tín hiệu đủ lớn để đo bằng ECG hoặc EEG khi đặt điện cực trên da.

Theo điện từ học, dòng điện cũng tạo ra từ trường. Vì vậy cùng một hoạt động sinh học có thể để lại hai loại dấu vết: điện thế trên bề mặt và trường từ lan ra không gian xung quanh nguồn.

Đo từ trường có một lợi thế đáng chú ý: mô cơ thể làm biến dạng điện thế bề mặt khá mạnh do khác biệt về độ dẫn điện, trong khi từ trường trong nhiều trường hợp ít bị ảnh hưởng hơn bởi các lớp mô nằm giữa nguồn và cảm biến. Đó là lý do MEG có thể bổ sung thông tin không gian cho EEG, còn MCG có thể cung cấp một góc nhìn khác về dòng điện trong tim.

Vấn đề là các trường từ sinh học rất yếu. Science Tokyo cho biết các tín hiệu cần đo thường ở cấp picotesla, tức khoảng 10⁻¹² tesla. Ở mức này, từ trường Trái Đất, thiết bị điện trong phòng và thậm chí các vật kim loại xung quanh đều có thể lớn hơn tín hiệu sinh học nhiều bậc độ lớn.

Một khiếm khuyết trong kim cương trở thành cảm biến

Cảm biến mới dựa trên nitrogen-vacancy center, hay NV center, trong diamond. Đây là một lỗi tinh thể có cấu trúc rất cụ thể: một nguyên tử carbon trong mạng kim cương được thay bằng nitrogen, còn vị trí carbon kế bên bị bỏ trống.

Electron liên kết với NV center có spin lượng tử. Trạng thái spin này nhạy với từ trường xung quanh và có thể được chuẩn bị bằng laser, điều khiển bằng microwave rồi đọc ra thông qua fluorescence của diamond.

Nói ngắn gọn, từ trường không được đo bằng cách nhìn một kim nam châm lệch đi. Nó làm thay đổi quá trình tiến hóa pha của spin lượng tử bên trong diamond; sự thay đổi đó sau cùng được chuyển thành tín hiệu ánh sáng có thể đo bằng photodetector.

Trong thiết bị của Science Tokyo, nhóm sử dụng Ramsey interferometry. Spin NV được đưa vào trạng thái chồng chập bằng một xung microwave, để tiến hóa trong từ trường cần đo, rồi được tác động bởi xung microwave thứ hai. Pha tích lũy trong khoảng giữa hai xung mang thông tin về cường độ từ trường.

Độ nhạy chưa đủ: cảm biến còn phải ở thật gần

Một magnetometer có thể rất nhạy nhưng vẫn không hữu ích cho sinh học nếu nó phải đặt quá xa mô. Từ trường do một nguồn nhỏ tạo ra giảm nhanh khi khoảng cách tăng, nên việc rút ngắn vài millimeter có thể tạo khác biệt lớn đối với signal-to-noise ratio.

Đây là nơi các diamond NV sensor gặp một bài toán khó. Để đọc fluorescence từ số lượng lớn NV center và đạt độ nhạy cao, nhiều thiết kế dùng laser công suất ở cấp watt. Ánh sáng đó làm nóng diamond và phần cứng xung quanh. Khi cảm biến được đặt sát mô sống, nhiệt trở thành giới hạn trực tiếp.

Nhóm của Iwasaki giải quyết bằng một light-trapping diamond waveguide. Thay vì để ánh sáng đi qua diamond một lần rồi thoát ra, cấu trúc được thiết kế để laser phản xạ toàn phần nhiều lần bên trong vật liệu. Cùng một photon vì thế có cơ hội tương tác với nhiều NV center hơn.

Với laser đầu vào 210 mW, hệ thu được khoảng 20 mW fluorescence, tương ứng hiệu suất chuyển đổi quang học 9,5%. Science Tokyo cho biết mức công suất laser này thấp hơn khoảng mười lần so với những cấu hình thường dùng cho biomagnetic sensing bằng NV ensemble.

Nhóm còn thu nhỏ microwave antenna thành một cấu trúc planar trên mạch in, nhờ đó đưa bề mặt cảm biến tới cách mẫu chỉ khoảng 2 mm.

3 pT/√Hz và 38°C thực sự có nghĩa gì?

Ở dải tần 100–400 Hz, thiết bị đạt độ nhạy khoảng 2,93 pT/√Hz. Đây không phải tuyên bố rằng nó có thể lập tức nhìn thấy mọi tín hiệu sinh học ở mức 3 pT; đơn vị trên căn hertz mô tả noise floor của magnetometer theo bandwidth đo và cần được đặt trong bối cảnh thời gian tích phân, phổ tín hiệu và nhiễu môi trường.

Phần nhiệt có ý nghĩa thực dụng hơn. Với cấu hình thử nghiệm, nhiệt độ diamond tăng khoảng 13 K và ổn định gần 38°C, thấp hơn ngưỡng đau do nhiệt 42°C mà nhóm dùng làm mốc an toàn tham khảo.

Khi thử với một dry phantom mô phỏng từ trường của não, cảm biến đo được tín hiệu 77,7 pT ở khoảng cách khoảng 2,5 mm. Phantom này là nguồn nhân tạo có trường đã biết, không phải não người hoặc mô sống. Vì thế kết quả chứng minh khả năng phát hiện tín hiệu biomagnetic-like ở cự ly gần, chứ chưa chứng minh hiệu năng MEG lâm sàng.

Tại sao không chỉ dùng MEG và MCG hiện có?

Biomagnetism không phải lĩnh vực mới. SQUID magnetometer đã được dùng trong MEG và MCG từ nhiều thập kỷ, với độ nhạy rất cao. Gần đây, optically pumped magnetometer (OPM) còn cho phép tạo những hệ MEG đeo sát đầu và hoạt động mà không cần làm lạnh cảm biến bằng cryogen.

Diamond NV sensor vì vậy không bước vào một khoảng trống công nghệ. Nó phải cạnh tranh với các nền tảng đã trưởng thành hơn về sensitivity, array design, calibration và clinical workflow.

Lợi thế tiềm năng của diamond nằm ở kích thước cảm biến nhỏ, hoạt động ở nhiệt độ phòng, khả năng đặt sát nguồn và triển vọng tích hợp thành mảng mật độ cao. Nếu nhiều sensor có thể được bố trí quanh một cơ quan, mỗi sensor đo một thành phần của trường từ tại vị trí riêng, dữ liệu kết hợp có thể được dùng để tái dựng phân bố nguồn điện bên trong.

Đó là ý nghĩa thực tế của cụm “lập bản đồ từ trường quanh cơ quan”: không phải chụp ra một lớp ảnh giống MRI, mà là đo trường từ ở nhiều điểm rồi giải bài toán ngược để suy ra hoạt động điện đã tạo ra trường đó.

Từ một sensor tới bản đồ toàn cơ quan còn nhiều bước

Paper hiện tại tập trung vào một sensor và một phantom. Để tiến tới bản đồ biomagnetic trên cơ thể người, nhóm nghiên cứu sẽ phải giải quyết một loạt vấn đề khác: tạo mảng nhiều kênh, đồng bộ các sensor, hiệu chuẩn hướng và độ nhạy, giảm cross-talk microwave và optical, đồng thời loại bỏ từ trường môi trường lớn hơn tín hiệu sinh học rất nhiều.

Ngay cả khi phần cứng hoạt động, bài toán localization cũng không đơn giản. Trường từ đo được bên ngoài cơ thể không chỉ phụ thuộc vào cường độ nguồn mà còn vào hình học của dòng điện và vị trí cảm biến. Muốn tái dựng nguồn trong não hoặc tim cần mô hình giải tích hoặc numerical model đủ chính xác.

Vì vậy, kết quả năm 2026 nên được xem là một cải tiến ở tầng sensing hardware hơn là một thiết bị chẩn đoán mới. Nó cho thấy diamond NV magnetometer có thể hoạt động với laser thấp hơn, nhiệt ít hơn và khoảng cách đo ngắn mà vẫn giữ sensitivity ở cấp picotesla.

Nếu các đặc tính này còn giữ được khi mở rộng thành array, quantum sensor có thể trở thành một lớp cảm biến mới bên cạnh ECG, EEG, MEG và MCG: không chạm vào dòng điện trong mô, mà đọc từ trường cực yếu do chính dòng điện đó tạo ra. Phần khó tiếp theo không còn là chứng minh cơ thể có những từ trường này — điều đó đã được biết từ lâu — mà là liệu một mạng cảm biến lượng tử nhỏ, mát và đủ nhạy có thể biến chúng thành bản đồ sinh học có giá trị lâm sàng hay không.

Nguồn chính: Yuta Araki và cộng sự, “A Highly Sensitive Diamond NV Magnetometer Using Ramsey Interferometry with a Short Sensor-to-Sample Distance”, Applied Physics Letters (2026), DOI 10.1063/5.0334709; Institute of Science Tokyo.