《自然》雜誌:量子納米金剛石有助於更早發現某些危害極大的疾病

2020-12-12 量子認知

發表在最近一期的《自然》雜誌上的一項重要新研究論文,題為:「自旋增強型納米金剛石生物傳感,用於超靈敏診斷」。該研究發現,低成本的納米金剛石可用於發出諸如愛滋病病毒(HIV病毒)之類的疾病標誌物的信號,其靈敏度是這些測試中廣泛使用的金納米顆粒的數千倍。

納米金剛石的量子感測能力可用於提高診斷紙質測試的靈敏度,從而有可能更早地檢測出諸如愛滋病之類的疾病。紙質側向流動測試,英語:Paper-based lateral flow tests,與妊娠測試的工作方式相同,將一條紙浸入液體樣本中,顏色(或螢光信號)的變化表示陽性結果,並檢測出病毒蛋白或DNA。它們被廣泛用於檢測從HIV到SARS-CoV-2的病毒,並且可以快速診斷,因為不必在實驗室中處理結果。

這種更高的靈敏度使得可以檢測到更低的病毒載量,這意味著該測試可以發現更深層次的疾病或在更早的階段發現該疾病,這對於降低感染者的傳播風險和有效治療諸如愛滋病等疾病至關重要。

研究團隊正在努力使新技術適應未來幾個月測試新冠病毒和其他疾病的需求。下一步的關鍵是開發一種手持設備,該設備可以「讀取」結果,因為該技術是在實驗室使用顯微鏡證明的。

該研究論文主導、倫敦大學學院生物醫學納米技術教授,Rachel McKendry說:「我們的概念驗證研究表明,如何使用量子技術檢測患者樣品中的超低量的病毒,從而實現更早的診斷。

「我們專注於愛滋病毒的檢測,但是我們的方法非常靈活,可以輕鬆地適應其他疾病和生物標誌物類型。我們正在努力使我們的方法適應新冠病毒的測試。我們相信,這種變革性的新技術將使患者受益並保護人們免受傳染病的侵害。」

研究人員利用精確瑕疵製造的納米金剛石的量子特性。鑽石的高度規則結構中的這種缺陷產生了所謂的氮空位(NV)。這種氮空位中心具有許多潛在的應用,從用於超靈敏成像的螢光生物標記到量子計算中的信息處理量子位。

氮空位中心可以通過發出明亮的螢光來發出抗原或其他靶分子的信號。過去,螢光標記受到來自樣品或試紙條的背景螢光的限制,這使得檢測低濃度的病毒蛋白或DNA難以顯示陽性檢測變得更加困難。但是,螢光納米金剛石的量子性質允許選擇性地調節其發射,這意味著可以使用微波場將信號固定在設定的頻率上,並且可以有效地將其與背景螢光分離,從而解決了這一限制。

光學研究結果表明,與金的納米顆粒相比,靈敏度提高了五個數量級(100,000倍)(也就是說,生成可檢測信號所需的納米顆粒數量要少得多)。包括一個短短的10分鐘恆溫擴增步驟,其中複製了RNA的副本,研究人員能夠在模型樣品中以單個分子的水平檢測HIV RNA。

這項工作在實驗室環境中進行了演示,但研究小組希望開發測試,以便可以使用智慧型手機或可攜式螢光讀取器讀取結果。這意味著將來可以在資源較少的環境中進行測試,從而使用戶更容易進行測試。

論文第一作者、倫敦納米技術中心研究員、本·米勒博士說:「這種基於紙的橫向流動測試不需要實驗室分析,這使其在資源貧乏地區和地方特別有用獲得醫療保健的機會有限,它們價格低廉、便於攜帶且易於使用。

「但是,這些測試目前缺乏檢測非常低水平的生物標誌物的靈敏度。通過在這種新設計中將常用的金納米顆粒替換為螢光納米金剛石,並選擇性地調節其(已經明亮的)發光,我們已經能夠分離出它們。試紙的不需要的背景螢光發出信號,大大提高了靈敏度。」

論文作者額周一、量子科學技術研究院主任約翰·莫頓(John Morton)說:「這種跨學科合作很好地說明了量子系統的基礎工作是如何進行的,例如鑽石的氮空位中心可以從實驗室演變而來,並在傳感和診斷的實際應用中發揮關鍵作用,研究人員正在與行業和其他學術研究小組合作,探索並實現這些和其他量子技術的影響。 」

參考:Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics,Nature(2020).https://www.nature.com/articles/s41586-020-2917-1

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