Nature论文解读：重大进展！利用纳米金刚石的量子特性进行试纸横向流动测试，可将灵敏度提高10万倍
来源：本站原创 2020-11-26 15:55
2020年11月26日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自英国伦敦大学学院和牛津大学的研究人员发现纳米金刚石（nanodiamond）的量子传感能力可用于提高基于试纸的诊断测试的灵敏度，从而有可能允许更早地检测HIV感染等疾病。相关研究结果发表在2020年11月26日的Nature期刊上，论文标题为“Spin-enhanced nanodiam
2020年11月26日讯/生物谷BIOON/---在一项新的研究中，来自英国伦敦大学学院和牛津大学的研究人员发现纳米金刚石（nanodiamond）的量子传感能力可用于提高基于试纸的诊断测试的灵敏度，从而有可能允许更早地检测HIV感染等疾病。相关研究结果发表在2020年11月26日的Nature期刊上，论文标题为“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”。
基于试条的横向流动测试的工作方式与妊娠测试相同，即将试条浸泡在液体样本中，颜色或荧光信号的变化表示阳性结果，并可检测病毒蛋白或DNA。它们被广泛用于检测从HIV到SARS-CoV-2等病毒（目前针对COVID-19的横向流动测试正在英格兰各地进行试点），并且可以提供快速诊断，这是因为测试结果不必在实验室处理。
这项新研究发现，低成本的纳米金刚石可以用来指示HIV疾病标志物的存在，其灵敏度比横向流动测试中广泛使用的金纳米颗粒高出数千倍。
这种更高的灵敏度可以检测到更低的病毒载量，这意味着这种测试方法可能能够检测到较低水平的疾病，或者在更早的阶段检测到疾病，这对于降低感染者的传播风险和有效治疗HIV等疾病至关重要。
这个研究团队正在努力改进这种新技术，以便在未来几个月内测试COVID-19和其他疾病。下一步的关键是开发一种可以“读取”测试结果的手持设备，这是因为该技术是在实验室中使用显微镜演示的。他们还计划开展进一步的临床评估研究。
论文共同通讯作者、伦敦大学学院生物医学纳米技术教授、i-sense EPSRC IRC主任Rachel McKendry教授说，“我们的概念验证研究表明，量子技术如何可以用于检测患者样本中超低水平的病毒，从而实现更早的诊断。我们专注于HIV检测，但是我们的方法非常灵活，可以很容易地经改进后适应其他类型的疾病和生物标志物。我们正在努力让我们的方法适应COVID-19。我们相信，这种变革性的新技术将使得患者受益，并保护人群免受传染病的侵害。”
McKendry团队利用了含有缺陷的纳米金刚石的量子特性。金刚石高度规则结构中的这种缺陷会产生所谓的氮空位（nitrogen-vacancy, NV）中心。NV中心有许多潜在的应用，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中心可以通过发射明亮的荧光来产生指示抗原或其他靶分子存在的信号。在过去，荧光标记受到来自样品或试条的背景荧光的限制，使得难以检测到低浓度的病毒蛋白或DNA。然而，荧光纳米金刚石的量子特性使它们的光发射可以被选择性调制，这意味着可以利用微波场将光信号固定在一个设定的频率上，并可以有效地从背景荧光中分离出来，从而解决了这一局限性。
这些光学结果显示，与金纳米颗粒相比，这种纳米金刚石技术的灵敏度提高了多达5个数量级（10万倍）（即产生可检测的信号仅需更低数量的纳米颗粒）。由于加入了一个短短10分钟的RNA拷贝发生倍增的恒温扩增步骤，McKendry团队能够在模型样品中在单分子的水平下检测HIV RNA。
这项研究是在实验室环境下演示的，不过该团队希望进一步开发这类测试方法，以便能够用智能手机或便携式荧光读取器读取测试结果。这意味着，该测试未来可能在低资源环境下进行，使用户更容易获得。
论文第一作者兼论文共同通讯作者、伦敦大学学院伦敦纳米技术中心（LCN）i-sense博士后研究助理Ben Miller博士说，“基于试条的金纳米颗粒横向流动测试不需要实验室分析，这使得它们在低资源环境和医疗服务有限的地方特别有用。它们成本低，携带方便，对用户友好。然而，这类测试目前缺乏检测极低水平生物标志物的灵敏度。通过在这种新的设计中用荧光纳米金刚石取代常用的金纳米颗粒，并选择性地调节它们（已经很亮）的光发射，我们能够将它们的信号从试条的背景荧光中分离出来，从而极大地提高了灵敏度。”
论文共同作者、伦敦大学学院量子科学与技术研究所（UCLQ）所长John Morton教授说，“LCN i-sense团队和UCLQ之间的这种跨学科合作是对量子系统（如金刚石中的NV中心）的基础性工作如何从实验室中发展出来，并在传感和诊断的现实世界应用中发挥关键作用的奇妙说明。UCLQ的研究人员正在通过与工业界和其他学术研究团体合作，探索这些量子技术和其他量子技术的影响并让它们成为可能。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Benjamin S. Miller et al. Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2917-1.
2.Quantum nanodiamonds may help detect disease earlier
https://phys.org/news/2020-11-quantum-nanodiamonds-disease-earlier.html
基于试条的横向流动测试的工作方式与妊娠测试相同，即将试条浸泡在液体样本中，颜色或荧光信号的变化表示阳性结果，并可检测病毒蛋白或DNA。它们被广泛用于检测从HIV到SARS-CoV-2等病毒（目前针对COVID-19的横向流动测试正在英格兰各地进行试点），并且可以提供快速诊断，这是因为测试结果不必在实验室处理。
图片来自Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2917-1。
这项新研究发现，低成本的纳米金刚石可以用来指示HIV疾病标志物的存在，其灵敏度比横向流动测试中广泛使用的金纳米颗粒高出数千倍。
这种更高的灵敏度可以检测到更低的病毒载量，这意味着这种测试方法可能能够检测到较低水平的疾病，或者在更早的阶段检测到疾病，这对于降低感染者的传播风险和有效治疗HIV等疾病至关重要。
这个研究团队正在努力改进这种新技术，以便在未来几个月内测试COVID-19和其他疾病。下一步的关键是开发一种可以“读取”测试结果的手持设备，这是因为该技术是在实验室中使用显微镜演示的。他们还计划开展进一步的临床评估研究。
论文共同通讯作者、伦敦大学学院生物医学纳米技术教授、i-sense EPSRC IRC主任Rachel McKendry教授说，“我们的概念验证研究表明，量子技术如何可以用于检测患者样本中超低水平的病毒，从而实现更早的诊断。我们专注于HIV检测，但是我们的方法非常灵活，可以很容易地经改进后适应其他类型的疾病和生物标志物。我们正在努力让我们的方法适应COVID-19。我们相信，这种变革性的新技术将使得患者受益，并保护人群免受传染病的侵害。”
McKendry团队利用了含有缺陷的纳米金刚石的量子特性。金刚石高度规则结构中的这种缺陷会产生所谓的氮空位（nitrogen-vacancy, NV）中心。NV中心有许多潜在的应用，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中心可以通过发射明亮的荧光来产生指示抗原或其他靶分子存在的信号。在过去，荧光标记受到来自样品或试条的背景荧光的限制，使得难以检测到低浓度的病毒蛋白或DNA。然而，荧光纳米金刚石的量子特性使它们的光发射可以被选择性调制，这意味着可以利用微波场将光信号固定在一个设定的频率上，并可以有效地从背景荧光中分离出来，从而解决了这一局限性。
这些光学结果显示，与金纳米颗粒相比，这种纳米金刚石技术的灵敏度提高了多达5个数量级（10万倍）（即产生可检测的信号仅需更低数量的纳米颗粒）。由于加入了一个短短10分钟的RNA拷贝发生倍增的恒温扩增步骤，McKendry团队能够在模型样品中在单分子的水平下检测HIV RNA。
这项研究是在实验室环境下演示的，不过该团队希望进一步开发这类测试方法，以便能够用智能手机或便携式荧光读取器读取测试结果。这意味着，该测试未来可能在低资源环境下进行，使用户更容易获得。
论文第一作者兼论文共同通讯作者、伦敦大学学院伦敦纳米技术中心（LCN）i-sense博士后研究助理Ben Miller博士说，“基于试条的金纳米颗粒横向流动测试不需要实验室分析，这使得它们在低资源环境和医疗服务有限的地方特别有用。它们成本低，携带方便，对用户友好。然而，这类测试目前缺乏检测极低水平生物标志物的灵敏度。通过在这种新的设计中用荧光纳米金刚石取代常用的金纳米颗粒，并选择性地调节它们（已经很亮）的光发射，我们能够将它们的信号从试条的背景荧光中分离出来，从而极大地提高了灵敏度。”
论文共同作者、伦敦大学学院量子科学与技术研究所（UCLQ）所长John Morton教授说，“LCN i-sense团队和UCLQ之间的这种跨学科合作是对量子系统（如金刚石中的NV中心）的基础性工作如何从实验室中发展出来，并在传感和诊断的现实世界应用中发挥关键作用的奇妙说明。UCLQ的研究人员正在通过与工业界和其他学术研究团体合作，探索这些量子技术和其他量子技术的影响并让它们成为可能。”（生物谷 Bioon.com）
参考资料：
1.Benjamin S. Miller et al. Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics. Nature, 2020, doi:10.1038/s41586-020-2917-1.
2.Quantum nanodiamonds may help detect disease earlier
https://phys.org/news/2020-11-quantum-nanodiamonds-disease-earlier.html
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