Nature:灵敏度提升10万倍,将艾滋病诊断提早16天,正进行新冠试点

2020
11/27

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生物世界
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科技前沿

来源:高分子科学前沿


荧光纳米金刚石 (Fluorescent nanodiamonds,FND) 中氮空位 (nitrogen-vacancy,NV) 缺陷的量子自旋特性,不仅在量子计算和通信领域应用广泛,其荧光性能也十分优异,包括高量子产率,无光闪烁或光漂白,高稳定以及低毒性等。在磁场量化、温度传感和生物标记等方向上也存在着广泛的应用。与中性 (NV0 中心不同,NV-中心的主要优势在于,其荧光可以通过自旋调控的方式进行选择性调节,从而在高背景环境中实现信号分离。
传染病对全球健康构成了巨大挑战,而早期的诊断对于各种传染病有效的治疗和预防至关重要。目前对传染病病毒,如人类免疫缺陷病毒 (HIV) 或是新冠病毒 (SARS-CoV-2) 检测的方法较为繁琐,且需要较长时间。而与妊娠测试相似的纸基侧向流动测试 (lateral flow assay, LFA) 则是一种便捷的检测方法。其工作方式为将纸的一端浸入样本中,通过颜色(或荧光信号)的变化与否进行诊断。这种方法便捷且迅速,无需在实验室中处理结果。然而,当前基于纳米颗粒的生物传感器的灵敏度仍然欠缺。
近日,英国伦敦大学学院  Benjamin S. Miller  等人在 Nature 杂志发表了题为: Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics 的最新研究论文。
该研究将荧光纳米金刚石用作体外诊断的超灵敏标签,并通过微波调节发射强度与频域分析,将信号与背景荧光信号分离,突破了灵敏度的限制
基于该技术的低成本检测试纸,对生物素-亲和素模型的检测极限达到了 8.2×10-19 摩尔。在对HIV病毒检测实验中,比传统使用金纳米颗粒的检测灵敏度提高了98000倍
此外,由于HIV病毒相对于抗原和抗体能够更早的被检测到 (分别提早7天与16天) ,因此与现有的基于实验室的核酸检测或即时蛋白检测相比,该技术提供了更早诊断的潜力。除了HIV病毒之外,该技术还适用于SARS-CoV-2病毒,并正在进行新冠病毒的试点。
传统的生物传感检测中,荧光标记物受到来自于样品或试纸条的背景荧光的限制,大大阻碍了对低浓度的RNA或DNA的检测。在该研究中,研究人员主要利用了纳米金刚石中氮空位缺陷的量子特性。这种量子特性允许通过微波场调控的方式,对靶向分子发出的荧光信号进行调节,将信号固定在设定好的频率上,从而将目标荧光信号与背景信号分离,实现低浓度检测。
基于纳米金刚石的侧向流动测试
通过微波对纳米金刚石荧光信号进行调节
光学结果表明, 与金纳米颗粒相比,基于纳米金刚石的样品灵敏度提高了五个数量级(98000倍) (这意味着生成可检测信号所需的纳米颗粒数量要少得多) 。且恒温核酸扩增耗时仅为10分钟(RNA增殖),这使得对艾滋病病毒的单分子检测成为现实。
基于纳米金刚石的侧向流动测试的检测极限
第一作者Benjamin S. Miller博士表示,基于纸的测向流动测试避免了繁琐的实验室分析,显著提升了测试便捷性与及时性,同时大大降低了成本,这使得它们在资源贫乏地区特别适用。
另一位通讯作者Rachel A. McKendry表示,该技术非常灵活,可以轻松适应其他疾病和生物标记物类型。当下研究团队正在进行该技术在新冠病毒检测方面的研究。Rachel A. McKendry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。
目前,该技术已经成功在实验室环境中进行了演示,但是,研究人员希望进行进一步的测试,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,从而更便捷的进行病毒检测。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2917-1
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关键词:
纳米金刚石,新冠病毒,艾滋病,灵敏度,传染病,新冠,试点,诊断

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