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旋转增强型纳米金刚石可以改善疾病诊断

04 Jan 2021
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艺术家对纳米金刚石的构想 体外 诊断。 (由Ella Maru Studio / UCL提供)

根据英国研究人员的概念验证研究,荧光纳米金刚石可以提高纸质医学诊断测试的敏感性。用含有氮空位中心的纳米金刚石代替横向流动测试中广泛使用的金纳米颗粒,可以显着提高测试灵敏度。研究作者说,利用这些纳米金刚石的量子感测能力可以更早地检测出诸如HIV之类的疾病,从而改善患者的预后。

横向流动测试(例如家庭妊娠测试)通过将纸质测试条浸入液体样本中来工作。如果存在被检测到的激素,蛋白质或DNA,则测试结果为阳性,并且纸张会改变颜色,通常会出现色线。这些测试价格便宜,易于使用并提供快速的结果,使其非常适合家庭测试以及在资源不足的情况下使用。但是它们缺乏其他诊断测试的敏感性,并且通常无法在感染的早期阶段检测到低水平的生物标志物。

大多数横向流动测试使用的是夹心测定法。如果要检测病毒颗粒(一种抗原),则将针对其的抗体附着到视觉标签(通常是金纳米颗粒)上,并在试纸上指定点(测试线)。如果存在抗原,则它们会与视觉标签和测试线结合,从而将自身和金纳米颗粒固定在试纸上的某个位置。这将创建一条可见线,指示阳性测试。

在发表的新研究中 性质, 本·米勒 伦敦大学学院的研究人员和他的同事发现,如果用自旋增强型纳米金刚石代替金纳米颗粒,它们可使测试灵敏度提高数千倍。

这些纳米金刚石在其晶格中有一个非常精确的缺陷,称为氮空位中心。该点缺陷的能量结构导致纳米金刚石发荧光。并且可以通过使用电磁场来控制氮空位中心的电子自旋来调节这种荧光的强度。这种荧光以及操纵它的能力使这些纳米金刚石具有潜在的生物标记物的吸引力。

为了研究这些纳米金刚石是否可以在侧向流动测试中起作用,Miller创建了两种检测维生素生物素的测试:一种使用金纳米颗粒作为视觉标记,另一种使用荧光纳米金刚石。然后,研究人员使用越来越多的生物素稀溶液测试了这些检测方法。他们发现,纳米金刚石测试比使用金纳米颗粒的测试灵敏度高100,000,可以检测到低至每微升0.5个分子或55微升样品中27个颗粒的浓度。

研究人员还创建了用于检测HIV RNA的侧向流动测试。他们发现,经过10分钟的扩增步骤(产生多个RNA副本),他们能够在仅包含一个分子的样本中检测到HIV RNA。

但是,读取纳米金刚石试纸并不像看着它们那样简单。为了检查结果,研究人员使用荧光显微镜对纸条成像,同时使用微波场调节纳米金刚石。’ fluorescence.

Miller告诉我们,尽管您可以使用实验室设备测量的金纳米颗粒含量低于肉眼可见的水平。 物理世界 荧光标记物更敏感,因为与金引起的吸光度变化相比,荧光标记物在较低的水平更易于检测。

但是,当研究人员先前尝试在类似的测定中使用荧光标记时,由于试纸条的背景荧光,他们感到很挣扎。这就是纳米金刚石的来源。Miller解释说,您可以在特定频率下调节其荧光,然后进行过滤以检测该频率下的荧光,从而将其信号与背景荧光分开。

“我们需要做更多的工作,以使[我们的测试]更适用于资源不足的情况,”米勒告诉 物理世界。他说,该团队目前正在开发基于智能手机的手持式低成本便携式阅读器原型。他解释说,这有望取代显微镜,使测试更适合于初级保健环境。

版权©IOP 出版 Ltd和个人贡献者的2021年