Μικροσκοπικός αισθητήρας που καταλαβαίνει κάθε αλλαγή σε μαγνητικά πεδία προσφέρει νέες ιατρικές χρήσεις

Πηγή: Reuters, 1 Νοεμβρίου 2007

Ένας μικροσκοπικός μαγνητικός αισθητήρας, με μέγεθος μικρότερο από εκείνο ενός κόκκου ρυζιού, κατασκευάστηκε από αμερικανούς ερευνητές του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας των ΗΠΑ (NIST).

Ο μικροαισθητήρας, που παρουσιάστηκε στην επιθεώρηση «Nature Photonics», αποτελεί έναν οικονομικό αλλά και φορητό τρόπο ανίχνευσης αλλαγών σε μαγνητικά πεδία. Παρά τις μικροσκοπικές διαστάσεις του, το νέο αυτό τεχνολογικό εργαλείο επιδεικνύει τεράστιες ικανότητες.

"Αυτό που έχουμε κάνει καταδεικνύει μια πολύ καλή ευαισθησία ακόμα και με ένα πολύ μικρό κύτταρο", λέει ο John Kitching του NIST, που καθοδήγησε το πρόγραμμα.

"Τα μαγνητικά πεδία ανευρίσκονται παντού", λέει ο Kitching. "Οτιδήποτε έχει μέσα σίδηρο κρύβει μέσα του ένα μαγνητικό πεδίο."

Τα ηλεκτρικά ρεύματα, για παράδειγμα των ηλεκτροφόρων καλωδίων, εκπέμπουν ένα μαγνητικό πεδίο, όπως οι ηλεκτρικές ωθήσεις που κάνουν την καρδιά να συστέλλεται ή να πυροδοτούνται τα κύτταρα του εγκεφάλου.

Τα μεγαλύτερα μαγνητόμετρα χρησιμοποιούνται από τους γεωλόγους για να βρίσκουν κοιτάσματα σιδήρου και από τους αρχαιολόγους για να βρίσκουν θαμμένα αντικείμενα. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν από τους δορυφόρους για να παρακολουθούν το γήινο μαγνητικό πεδίο.

Η αυξημένη ευαισθησία του ανοίγει τις πύλες για πολυάριθμες πρακτικές εφαρμογές στην ιατρική καθώς και στον τομέα της ασφαλείας. Ανιχνεύει ακόμη και τον καρδιακό παλμό ενός εμβρύου!

Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στη μέτρηση της εγκεφαλικής δραστηριότητας για την ανεύρεση όγκων, αλλά και, εκτός ιατρικής, στον εντοπισμό εκρηκτικών.

Ο νέος μικροαισθητήρας είναι 1.000 φορές μικρότερος από το προηγούμενο μοντέλο των ιδίων κατασκευαστών. Χάρη στο μικρό του μέγεθος δύο αλκαλικές μπαταρίες αρκούν για χρήση αρκετών εβδομάδων.

Οι μεγαλύτεροι μετρητές μαγνητικού πεδίου, του τύπου SQUIDS (Superconducting Quantum Interference Device), έχουν σαφώς μεγαλύτερο βαθμό ευαισθησίας και χρησιμοποιούνται στην ανίχνευση ελάχιστων αλλαγών, αλλά λειτουργούν σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και είναι μεγάλα όργανα. Το βασικό προτέρημα του νέου μαγνητόμετρου ωστόσο είναι ότι συνδυάζει την αρκετά υψηλή ευαισθησία με το γεγονός ότι είναι φορητός και άρα πιο εύχρηστος.

Το νέο μίνι-μαγνητόμετρο του NIST αποτελείται από ένα δοχείο που περιέχει 100 δισεκατομμύρια άτομα ρουβιδίου. Μια υπέρυθρη ακτίνα λέιζερ εκτοξεύεται και προκαλεί την ευθυγράμμιση των ατόμων με την ακτίνα. Για παράδειγμα, όταν ο αισθητήρας βρεθεί κοντά στον εγκέφαλο, τα ηλεκτρικά σήματα που εκπέμπονται από τους νευρώνες διαταράσσουν τον μαγνητικό προσανατολισμό των ατόμων. Ως αποτέλεσμα, μπλοκάρεται μέρος του φωτός. Όσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο, τόσο λιγότερο φως διαπερνά το δοχείο και φθάνει στον ανιχνευτή.

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι ο μικροαισθητήρας, λόγω της μεγάλης ικανότητας προσαρμογής του, θα βρει εφαρμογή σε μια πληθώρα διαφορετικών πεδίων.

Αριστερά: Στο νέο μίνι-μαγνητόμετρο του NIST, φως από ένα λέιζερ (μικρός γκρίζος κύλινδρος στα αριστερά) περνά μέσω ενός μικρού κουτιού (πράσινος κύβος) που περιέχει άτομα σε ένα αέριο. Το κύτταρο ενός ιστού και οποιοδήποτε άλλο δείγμα εξετάζεται τοποθετείται μέσα σε μια μαγνητική ασπίδα (μεγάλος γκρίζος κύλινδρος).

Όταν δεν υπάρχει κανένα δείγμα, όπως στην πάνω εικόνα, τα σπιν των ατόμων (που φαίνονται στο εσωτερικό του κόκκινου κύκλου) ευθυγραμμίζονται με την ακτίνα του λέιζερ, και ουσιαστικά όλο φως διαβιβάζεται μέσω του κυττάρου στον ανιχνευτή (μπλε κύβος). Με την παρουσία ενός δείγματος που εκπέμπει ένα μαγνητικό πεδίο, όπως είναι μια βόμβα ή ένα ποντίκι (μέση και κάτω εικόνα), τα άτομα αποπροσανατολίζονται περισσότερο και όσο το πεδίο γίνεται ισχυρότερο, τόσο λιγότερο φως φθάνει στον ανιχνευτή.

Μια καρδιά στο ποντίκι παράγει ένα ισχυρότερο σήμα από ότι πολλές εκρηκτικές ενώσεις που βρίσκονται, παραδείγματος χάριν, στις βόμβες, ακόμα κι αν και τα δύο βρίσκονται στην ίδια απόσταση από τον αισθητήρα. Στις μεγαλύτερες αποστάσεις, το πεδίο που ανιχνεύεται φυσικά μειώνεται. Με τον έλεγχο του σήματος στον ανιχνευτή, οι επιστήμονες μπορούν να καθορίσουν την ισχύ του μαγνητικού πεδίου.