量子纳米金刚石可能有助于更早发现疾病

根据i-sense McKendry研究小组UCL研究人员领导的一项研究，纳米金刚石的量子感测能力可用于提高纸质诊断测试的灵敏度，从而有可能更早地检测出诸如HIV之类的疾病。基于纸的横向流动测试的工作方式与将纸条浸入液体样本中的方式相同，并且颜色（或荧光信号）的变化表示阳性结果并检测出病毒蛋白或DNA。它们被广泛用于检测从HIV到SARS-CoV-2的病毒（Covid-19的侧向血流测试目前正在英国进行试点），并且可以提供快速诊断，因为无需在实验室中处理结果。

这项发表在《自然》杂志上的新研究发现，低成本的纳米金刚石可用于发出HIV疾病标志物的信号，其灵敏度是这些测试中广泛使用的金纳米颗粒的数千倍。

这种更高的灵敏度使得可以检测到更低的病毒载量，这意味着该测试可以发现更低水平的疾病或在更早的阶段发现该疾病，这对于降低感染者的传播风险和有效治疗诸如HIV等疾病至关重要。

研究团队正在努力使新技术适应未来几个月内对COVID-19和其他疾病的测试。下一步的关键是开发一种手持设备，该设备可以“读取”结果，因为该技术是在实验室使用显微镜证明的。还计划进一步的临床评估研究。

UCL生物医学纳米技术教授，i-sense EPSRC IRC主任，首席作者Rachel McKendry教授说：“我们的概念验证研究表明，如何使用量子技术检测患者样品中的超低水平病毒，从而实现更早的诊断。

“我们专注于艾滋病毒的检测，但是我们的方法非常灵活，可以轻松地适应其他疾病和生物标志物类型。我们正在努力使我们的方法适应COVID-19。我们相信，这种变革性的新技术将使患者受益并保护人们免受传染病的侵害。”

研究人员利用了具有精确缺陷的纳米金刚石的量子特性。钻石的高度规则结构中的这种缺陷产生了所谓的氮空位（NV）中心。 NV中心具有许多潜在的应用，从用于超灵敏成像的荧光生物标记到量子计算中的信息处理量子位。

NV中心可以通过发出明亮的荧光来发出抗原或其他靶分子的信号。过去，荧光标记受到来自样品或试纸条的背景荧光的限制，这使得检测低浓度的病毒蛋白或DNA难以显示阳性检测变得更加困难。但是，荧光纳米金刚石的量子性质允许选择性地调节其发射，这意味着可以使用微波场将信号固定在设定的频率上，并且可以有效地将其与背景荧光分离，从而解决了这一限制。

光学结果表明，与金纳米颗粒相比，灵敏度提高了五个数量级（100,000倍）（也就是说，生成可检测信号所需的纳米颗粒数量要少得多）。加上短短的10分钟恒温扩增步骤（其中RNA的拷贝数倍增），研究人员能够在模型样品中以单个分子的水平检测HIV RNA。

这项工作在实验室环境中进行了演示，但研究小组希望开发测试，以便可以使用智能手机或便携式荧光读取器读取结果。这意味着将来可以在资源较少的环境中进行测试，从而使用户更容易进行测试。

第一作者本·米勒博士（UCL伦敦纳米技术中心的i-sense博士后研究助理）说：“用纸纳米金进行的基于纸的横向流动测试不需要实验室分析，这使得它们在资源贫乏地区和地方特别有用获得医疗保健的机会有限，它们价格低廉，便于携带且易于使用。

“但是，这些测试目前缺乏检测非常低水平的生物标志物的灵敏度。通过在这种新设计中用荧光纳米金刚石替代常用的荧光纳米金刚石，并选择性地调节其（已经明亮的）光发射，我们已经能够将其信号与试纸不需要的背景荧光，大大提高了灵敏度。”

UCL量子科学技术研究院（UCLQ）主任约翰·莫顿（John Morton）的合著者说：“ UCLQ与LCN的i-sense团队之间的这种跨学科合作很好地说明了量子系统的基础工作是如何进行的，例如钻石公司的NV中心可以从实验室演变而来，并在传感和诊断的实际应用中发挥关键作用，UCLQ的研究人员正在与行业和其他学术研究小组合作，探索并实现这些及其他量子技术的影响。 ”更多信息：Benjamin S. Miller等人，《用于超灵敏诊断的自旋增强纳米金刚石生物传感》，《自然》（2020年）。 DOI：10.1038 / s41586-020-2917-1