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 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。