變革性技術:量子納米鑽石有助於提前檢測疾病包括新冠病毒

變革性技術：量子納米鑽石有助於提前檢測疾病包括新冠病毒

加州大學洛杉磯分校(UCL的 i-senseMckendry研究人員領導的一項研究顯示，納米鑽石的量子感測能力可以用來提高紙質診斷檢測的敏感度，從而有可能更早發現愛滋病毒等疾病。

一位科學家對用於體外診斷的納米鑽石的概念

基於紙張的橫向流動測試的工作原理與驗孕測試相同，即一張紙條浸泡在液體樣本中，顏色或螢光信號變化表明結果，並檢測到病毒蛋白或DNA。它們被廣泛用於檢測從愛滋病毒到SARS-CoV-2不等的病毒（COVID-19的橫向流動測試目前正在英格蘭各地進行)，可以提供快速診斷，因為結果不需要在實驗室進行處理。

發表在《自然》雜誌( Nature)上的這項新研究發現，低成本的納米鑽石可以用來表示是否存在愛滋病毒標誌物，其靈敏度比這些試驗中廣泛使用的金納米粒子高出幾千倍。

這種更高的靈敏度允許檢測到較低的病毒載量，這意味著該檢測可以檢測到較低水平的疾病或在較早階段發現疾病，這對於降低感染者的傳播風險和有效治療愛滋病毒等疾病至關重要。

研究小組正在努力調整新技術，以便在今後幾個月測試 COVID-19和其他疾病。下ー步的關鍵是開發一種能夠「讀取」結果的手持式裝置，因為這項技術在實驗室中使用顯微鏡進行了演示，還計劃開展進一步的臨床評價研究。

加州大學洛杉磯分校生物醫學納米技術教授、i sense EPSRC IRC主任雷切爾·麥肯德裡( Rachel Mckendry)教授說：「我們的概念驗證研究表明，量子技術可以用於檢測患者樣本中的超低病毒水平，從而能夠進行更早的診斷」。

「我們之前一直專注於愛滋病毒的檢測，但我們的方法非常靈活，可以很容易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用於檢測COVID-19。我們相信，這種變革性的新技術將使患者受益，並保護民眾免受傳染病的侵襲」。

研究人員利用了納米鑽石的量子特性。這種具有精確缺陷的鑽石高度規則結構中的缺陷產生了所謂的氮空位中心。NV中心有許多潛在的應用，從用於超敏感成像的螢光燈生物標記到量子計算中的信息處理量子位。

NV中心可以通過發出明亮的螢光燈來指示抗原或其他靶分子的存在。在過去，螢光標記受到來自樣本或測試條的背景螢光的限制，使得檢測低濃度的病毒蛋白或DNA變得更加困難。然而，螢光納米鑽石的量子特性允許對其發射被選擇性的調製，這意味著信號可使用微波場固定在一個特定的頻率，並且可有效地與背景螢光分離出來，從而解決了這一限制。

光學結果表明，與金納米粒子相比，敏感度提高了5個數量級(10萬倍，也就是說，產生可檢測信號所需納米粒子的數量要少得多)。通過加入一個短的10分鐘的恆溫擴增步驟，使RNA的拷貝成倍增加。研究人員得以在模型樣本中的單個分子水平上檢測到愛滋病毒RNA。

這項工作在實驗室進行了演示，但團隊希望開發出測試方法，以便可以用智慧型手機或可攜式螢光燈讀取結果。這意味著今後可以在資源不足的情況下進行測試，使用戶更容易獲得測試結果。

第一作者 Ben Miller博士( (UCL倫敦納米技術中心的i- sense博士後研究助理)說：「使用金納米顆粒的紙基橫向流動測試不需要實驗室分析，因此在資源貧乏和獲得醫療服務受限的情況下，這些測試特別有用。」它們成本低，便於攜帶和用戶使用。

「然而，這些試驗目前缺乏探測生物標誌物水平非常低的靈敏度。通過在這一新設計中以螢光納米鑽石取代常用的金納米粒子，並有選擇地調節其(本已明亮的)光排放，我們得以將其信號從試紙條不需要的背景螢光分離開來，大大提高了靈敏度」。

聯合作者約翰·莫頓教授是加州大學洛杉磯分校量子科學和技術研究所(UCLQ)主任，他說：「UCLQ與LCN的i-sense團隊之間的跨學科合作，非常出色地說明了量子系統的基礎性工作，如鑽石NV中心，是如何從實驗室演變而來的，並在傳感和診斷應用中發揮關鍵作用的。UCLQ的研究人員正在與工業界和其他學術研究團體合作，探索和促進這些和其他量子技術的影響」。

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