螢光納米金剛石（Fluorescent nanodiamonds，FND）中氮空位（nitrogen-vacancy，NV）缺陷的量子自旋特性，不僅在量子計算和通信領域應用廣泛，其螢光性能也十分優異，包括高量子產率，無光閃爍或光漂白，高穩定以及低毒性等。在磁場量化、溫度傳感和生物標記等方向上也存在著廣泛的應用。與中性（NV0）中心不同，NV-中心的主要優勢在於，其螢光可以通過自旋調控的方式進行選擇性調節，從而在高背景環境中實現信號分離。
傳染病對全球健康構成了巨大挑戰，而早期的診斷對於各種傳染病有效的治療和預防至關重要。目前對傳染病病毒，如人類免疫缺陷病毒（HIV）或是新冠病毒（SARS-CoV-2）檢測的方法較為繁瑣，且需要較長時間。而與妊娠測試相似的紙基側向流動測試（lateral flow assay, LFA）則是一種便捷的檢測方法。其工作方式為將紙的一端浸入樣本中，通過顏色（或螢光信號）的變化與否進行診斷。這種方法便捷且迅速，無需在實驗室中處理結果。然而，當前基於納米顆粒的生物傳感器的靈敏度仍然欠缺。
近日，英國倫敦大學學院 Benjamin S. Miller等人在 Nature雜誌發表了題為：Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics 的最新研究論文。
該研究將螢光納米金剛石用作體外診斷的超靈敏標籤，並通過微波調節發射強度與頻域分析，將信號與背景螢光信號分離，突破了靈敏度的限制。
基於該技術的低成本檢測試紙，對生物素-親和素模型的檢測極限達到了8.2×10-19摩爾。在對HIV病毒檢測實驗中，比傳統使用金納米顆粒的檢測靈敏度提高了98000倍。
此外，由於HIV病毒相對於抗原和抗體能夠更早的被檢測到（分別提早7天與16天），因此與現有的基於實驗室的核酸檢測或即時蛋白檢測相比，該技術提供了更早診斷的潛力。除了HIV病毒之外，該技術還適用於SARS-CoV-2病毒，並正在進行新冠病毒的試點。
傳統的生物傳感檢測中，螢光標記物受到來自於樣品或試紙條的背景螢光的限制，大大阻礙了對低濃度的RNA或DNA的檢測。在該研究中，研究人員主要利用了納米金剛石中氮空位缺陷的量子特性。這種量子特性允許通過微波場調控的方式，對靶向分子發出的螢光信號進行調節，將信號固定在設定好的頻率上，從而將目標螢光信號與背景信號分離，實現低濃度檢測。
基於納米金剛石的側向流動測試
通過微波對納米金剛石螢光信號進行調節
光學結果表明，與金納米顆粒相比，基於納米金剛石的樣品靈敏度提高了五個數量級（98000倍）（這意味著生成可檢測信號所需的納米顆粒數量要少得多）。且恆溫核酸擴增耗時僅為10分鐘（RNA增殖），這使得對愛滋病病毒的單分子檢測成為現實。
基於納米金剛石的側向流動測試的檢測極限
第一作者Benjamin S. Miller博士表示，基於紙的測向流動測試避免了繁瑣的實驗室分析，顯著提升了測試便捷性與及時性，同時大大降低了成本，這使得它們在資源貧乏地區特別適用。
另一位通訊作者Rachel A. McKendry表示，該技術非常靈活，可以輕鬆適應其他疾病和生物標記物類型。當下研究團隊正在進行該技術在新冠病毒檢測方面的研究。Rachel A. McKendry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。
目前，該技術已經成功在實驗室環境中進行了演示，但是，研究人員希望進行進一步的測試，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，從而更便捷的進行病毒檢測。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2917-1
來源：高分子科學前沿