Nature論文解讀：重大進展！利用納米金剛石的量子特性進行試紙橫向流動測試，可將靈敏度提高10萬倍

來源：作者：人氣：-發表時間：2020-11-27 14:57:00【大中小】

在一項新的研究中，來自英國倫敦大學學院和牛津大學的研究人員發現納米金剛石（nanodiamond）的量子傳感能力可用于提高基于試紙的診斷測試的靈敏度，從而有可能允許更早地檢測HIV感染等疾病。相關研究結果發表在2020年11月26日的Nature期刊上，論文標題為“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”。

Nature論文解讀：重大進展！利用納米金剛石的量子特性進行試紙橫向流動測試，可將靈敏度提高10萬倍

基于試條的橫向流動測試的工作方式與妊娠測試相同，即將試條浸泡在液體樣本中，顏色或熒光信號的變化表示陽性結果，并可檢測病毒蛋白或DNA。它們被廣泛用于檢測從HIV到SARS-CoV-2等病毒（目前針對COVID-19的橫向流動測試正在英格蘭各地進行試點），并且可以提供快速診斷，這是因為測試結果不必在實驗室處理。

這項新研究發現，低成本的納米金剛石可以用來指示HIV疾病標志物的存在，其靈敏度比橫向流動測試中廣泛使用的金納米顆粒高出數千倍。

這種更高的靈敏度可以檢測到更低的病毒載量，這意味著這種測試方法可能能夠檢測到較低水平的疾病，或者在更早的階段檢測到疾病，這對于降低感染者的傳播風險和有效治療HIV等疾病至關重要。

這個研究團隊正在努力改進這種新技術，以便在未來幾個月內測試COVID-19和其他疾病。下一步的關鍵是開發一種可以“讀取”測試結果的手持設備，這是因為該技術是在實驗室中使用顯微鏡演示的。他們還計劃開展進一步的臨床評估研究。

論文共同通訊作者、倫敦大學學院生物醫學納米技術教授、i-sense EPSRC IRC主任Rachel McKendry教授說，“我們的概念驗證研究表明，量子技術如何可以用于檢測患者樣本中超低水平的病毒，從而實現更早的診斷。我們專注于HIV檢測，但是我們的方法非常靈活，可以很容易地經改進后適應其他類型的疾病和生物標志物。我們正在努力讓我們的方法適應COVID-19。我們相信，這種變革性的新技術將使得患者受益，并保護人群免受傳染病的侵害。”

McKendry團隊利用了含有缺陷的納米金剛石的量子特性。金剛石高度規則結構中的這種缺陷會產生所謂的氮空位（nitrogen-vacancy, NV）中心。NV中心有許多潛在的應用，從用于超靈敏成像的熒光生物標記到量子計算中的信息處理量子位。

NV中心可以通過發射明亮的熒光來產生指示抗原或其他靶分子存在的信號。在過去，熒光標記受到來自樣品或試條的背景熒光的限制，使得難以檢測到低濃度的病毒蛋白或DNA。然而，熒光納米金剛石的量子特性使它們的光發射可以被選擇性調制，這意味著可以利用微波場將光信號固定在一個設定的頻率上，并可以有效地從背景熒光中分離出來，從而解決了這一局限性。

這些光學結果顯示，與金納米顆粒相比，這種納米金剛石技術的靈敏度提高了多達5個數量級（10萬倍）（即產生可檢測的信號僅需更低數量的納米顆粒）。由于加入了一個短短10分鐘的RNA拷貝發生倍增的恒溫擴增步驟，McKendry團隊能夠在模型樣品中在單分子的水平下檢測HIV RNA。

這項研究是在實驗室環境下演示的，不過該團隊希望進一步開發這類測試方法，以便能夠用智能手機或便攜式熒光讀取器讀取測試結果。這意味著，該測試未來可能在低資源環境下進行，使用戶更容易獲得。

論文第一作者兼論文共同通訊作者、倫敦大學學院倫敦納米技術中心（LCN）i-sense博士后研究助理Ben Miller博士說，“基于試條的金納米顆粒橫向流動測試不需要實驗室分析，這使得它們在低資源環境和醫療服務有限的地方特別有用。它們成本低，攜帶方便，對用戶友好。然而，這類測試目前缺乏檢測極低水平生物標志物的靈敏度。通過在這種新的設計中用熒光納米金剛石取代常用的金納米顆粒，并選擇性地調節它們（已經很亮）的光發射，我們能夠將它們的信號從試條的背景熒光中分離出來，從而極大地提高了靈敏度。”

論文共同作者、倫敦大學學院量子科學與技術研究所（UCLQ）所長John Morton教授說，“LCN i-sense團隊和UCLQ之間的這種跨學科合作是對量子系統（如金剛石中的NV中心）的基礎性工作如何從實驗室中發展出來，并在傳感和診斷的現實世界應用中發揮關鍵作用的奇妙說明。UCLQ的研究人員正在通過與工業界和其他學術研究團體合作，探索這些量子技術和其他量子技術的影響并讓它們成為可能。”