使用量子传感器检测新冠病毒，更快、更准确

光子盒研究院出品

最近，麻省理工学院(MIT)的科学家开发了一种检测新冠病毒(官方名称SARS-CoV-2)存在的新方法。基于量子效应，这种方法速度更快、成本更低、错误结果也更少。相关研究已经发表在美国化学学会(ACS)Nano Letters上，第一作者是MIT博士生Changhao Li。研究人员说，这种传感器可能适用于检测任何病毒。

现有的新冠病毒检测包括检测特定病毒蛋白的快速检测和需要几个小时处理的聚合酶链式反应(PCR)检测。然而这两种测试都不能高精度地量化病毒的数量。即使是最高标准的PCR检测也可能有超过25%的假阴性率。相比之下，研究团队的分析显示，新测试的假阴性率可能低于1%。这项测试也足够灵敏，只需一秒钟就能检测出几百股病毒RNA。

检测过程

这种新方法利用了金刚石中微小的原子级缺陷，称为氮-空位(NV)中心。由于金刚石晶格中发生的量子效应，这些微小的缺陷对微小的扰动极其敏感，目前正在探索各种需要高灵敏度的传感器件。

这种新方法在纳米金刚石上涂上一层与这些NV中心磁耦合的材料，并被处理为仅与病毒的特定RNA序列结合。当病毒RNA出现并与这种材料结合时，它会破坏磁性连接并导致金刚石的荧光发生变化，这种变化很容易用基于激光的光学传感器检测到。

研究人员说，这种传感器使用低成本材料(用到的金刚石比尘埃还小)，设备可以扩展，一次分析一整批样本。基于钆的涂层及其RNA调谐的有机分子可以使用普通的化学工艺和材料生产，用于读出结果的激光器与廉价的、可广泛使用的商用绿色激光指示器相当。

虽然这项初步工作是基于详细的数学模拟，证明了该系统在原理上是可行的，但该团队仍在继续努力将其转化为实验室规模的设备，以证实预测。他们的计划是首先做一个基本的原理证明实验室测试，然后研究如何优化该系统，使其在真正的病毒诊断应用中发挥作用。

这个多学科的过程需要结合量子物理学和工程方面的专业知识来生产探测器本身，以及化学和生物学方面的专业知识来开发与病毒RNA结合的分子，并找到将这些分子与金刚石表面结合的方法。

论文通讯作者、MIT核科学与工程和物理学教授Paola Cappellaro说，即使在将理论分析转化为工作装置时出现了复杂情况，但这项工作预测的假阴性率仍有很大幅度的降低，因此在这方面，它可能仍比标准PCR检测有很大的优势。她说，即使准确度相同，这种方法仍有一个主要优势，只需几分钟即可得出结果，而不需要几个小时。

Cappellaro说，这种基本方法可以适用于任何病毒，包括任何可能出现的新病毒，只需要调整附着在纳米金刚石传感器上的化合物，使其与特定目标病毒的通用材料相匹配即可。

量子钻石技术公司的高级研究科学家David Glenn表示：“该团队提出的方法因其通用性和技术简单性而具有吸引力。特别是，与使用NV中心的其他方法相比，这里描述的灵敏全光检测技术只需要最少的仪器。”

他补充说，对于他的公司来说，“我们非常高兴能够使用基于金刚石的量子传感器构建强大的生物医学诊断工具。随着这项工作中提出的想法被转化到实验室，我们将怀着极大的兴趣关注。”

论文链接：

[1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02868

[2]https://news.mit.edu/2021/quantum-sensor-detect-covid-1220

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