Nature論文解讀：重大進(jìn)展！利用納米金剛石的量子特性進(jìn)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(fā)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(xué)學(xué)院和牛津大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)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(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2020年11月26日的Nature期刊上，論文標(biāo)題為“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”。

Nature論文解讀：重大進(jìn)展！利用納米金剛石的量子特性進(jìn)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(jié)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(jìn)行試點），并且可以提供快速診斷，這是因為測試結(jié)果不必在實驗室處理。

這項新研究發(fā)現(xiàn)，低成本的納米金剛石可以用來指示HIV疾病標(biāo)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(shù)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(fēng)險和有效治療HIV等疾病至關(guān)重要。

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

論文共同通訊作者、倫敦大學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)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(shù)如何可以用于檢測患者樣本中超低水平的病毒，從而實現(xiàn)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(jīng)改進(jìn)后適應(yīng)其他類型的疾病和生物標(biāo)志物。我們正在努力讓我們的方法適應(yīng)COVID-19。我們相信，這種變革性的新技術(shù)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(guī)則結(jié)構(gòu)中的這種缺陷會產(chǎn)生所謂的氮空位（nitrogen-vacancy, NV）中心。NV中心有許多潛在的應(yīng)用，從用于超靈敏成像的熒光生物標(biāo)記到量子計算中的信息處理量子位。

NV中心可以通過發(fā)射明亮的熒光來產(chǎn)生指示抗原或其他靶分子存在的信號。在過去，熒光標(biāo)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(fā)射可以被選擇性調(diào)制，這意味著可以利用微波場將光信號固定在一個設(shè)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(xué)結(jié)果顯示，與金納米顆粒相比，這種納米金剛石技術(shù)的靈敏度提高了多達(dá)5個數(shù)量級（10萬倍）（即產(chǎn)生可檢測的信號僅需更低數(shù)量的納米顆粒）。由于加入了一個短短10分鐘的RNA拷貝發(fā)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(huán)境下演示的，不過該團隊希望進(jìn)一步開發(fā)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(jié)果。這意味著，該測試未來可能在低資源環(huán)境下進(jìn)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(xué)學(xué)院倫敦納米技術(shù)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(huán)境和醫(yī)療服務(wù)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(biāo)志物的靈敏度。通過在這種新的設(shè)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(diào)節(jié)它們（已經(jīng)很亮）的光發(fā)射，我們能夠?qū)⑺鼈兊男盘枏脑嚄l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(xué)學(xué)院量子科學(xué)與技術(shù)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(xué)科合作是對量子系統(tǒng)（如金剛石中的NV中心）的基礎(chǔ)性工作如何從實驗室中發(fā)展出來，并在傳感和診斷的現(xiàn)實世界應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用的奇妙說明。UCLQ的研究人員正在通過與工業(yè)界和其他學(xué)術(shù)研究團體合作，探索這些量子技術(shù)和其他量子技術(shù)的影響并讓它們成為可能。”