量子技術允許對單個原子和亞原子粒子進行操縱和感測，以利用它們的特性，這將使超靈敏的化學傳感器和生物傳感器具有更高的選擇性和響應時間，而還能使成像設備的分辨率、范圍大大提高，并且還可以實現透過遮蓋物或拐過去看物體的神奇能力。隨著此類量子設備的小型化和進一步功能化，該技術有機會顯著影響目前依賴于化學傳感、生物傳感或成像的關鍵應用，例如環境監測，醫療保健診斷，安全和防御，食品質量監測，工業安全和質量控制和潛在的運輸，而且還有可能嚴重重創這些領域，從而實現“量子霸權”！目前，金剛石中氮空位缺陷的量子自旋特性使量子計算和通信中的各種應用成為可能。同樣，熒光納米金剛石（FNDs）對于體外生物傳感也具有吸引人的特性，包括高量子產率、無閃爍和光漂白，以及高穩定性、低細胞毒性、可用于生物功能化的表面基團以及易于大規模制造（例如通過高壓、高溫金剛石的研磨）。基于納米顆粒的生物傳感器對于疾病的早期發現非常重要，但它們通常缺乏所需的靈敏度。早期發現和靈敏度對于大流行疾病的篩查和跟蹤在這次疫情中也體現了其重要性。鑒于此，倫敦大學學院Rachel A. McKendry和Benjamin S. Miller等人利用納米金剛石的量子感測能力，使用基于微波的自旋操作來增加信噪比，進而提高基于紙質的診斷測試的靈敏度，從而可能更早地檢測出諸如HIV之類的疾病。成果發表Nature期刊上。整體工作過程如下：FND可以用作硝化纖維條上的納米顆粒標記，在其上進行多步結合測定，幾乎不需要用戶輸入即可在靶核酸存在下在測試線結合。固定后，可以使用微波場以固定的頻率調制FND的熒光，從而可以對其進行特異性檢測和定量。基于紙質側向流動測試與驗孕棒的工作方式相同，只需將一條紙浸入液體樣本中，然后根據顏色（或熒光信號）的變化表示陽性結果，并檢測出病毒蛋白或DNA。它們被廣泛地用于檢測從HIV到SARS-CoV-2的病毒，因為這可以提供快速診斷，而不必在實驗室中處理結果。NV中心可以通過發出明亮的熒光來發出抗原或其他靶分子的信號。過去，熒光標記受到來自樣品或試紙條的背景熒光的限制，這使得檢測低濃度的病毒蛋白或DNA難以顯示陽性檢測變得更加困難。但是，熒光納米金剛石的量子性質允許選擇性地調節其發射，這意味著可以使用微波場將信號固定在設定的頻率上，并且可以有效地將其與背景熒光分離，從而解決了這一限制。這項新的研究發現，低成本的納米金剛石可用于發出HIV疾病標志物的信號，其靈敏度是這些測試中廣泛使用的金納米顆粒的數千倍。具體而言，研究人員通過生物素-親和素模型進行測試，實現了8.2×10-19摩爾的檢測極限，其靈敏度是金納米顆粒的105倍。另外，加上短短的10分鐘恒溫擴增步驟（在其中RNA的拷貝數倍增），研究人員能夠在模型樣品中以單個分子的水平檢測HIV RNA。圖|使用LND上FND的生物素-親和素結合來表征檢測的基本極限
圖|使用RT–RPA和FND對LFA上的HIV-1 RNA進行單拷貝檢測據悉，該研究小組希望開發測試，以便可以使用智能手機或便攜式熒光讀取器讀取結果。這意味著將來可以在資源較少的環境中進行測試，從而使用戶更容易進行測試。綜上所述，該技術的低功耗（0.25 W微波功率）、光學讀出和潛在的便攜性使其適用于低資源環境中的超靈敏診斷和監測。紙質微流體上的FND為體外疾病診斷提供了一種靈敏、可靠的標記和讀出方法。Miller, B.S., et al. Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics. Nature 587, 588–593 (2020).https://doi.org/10.1038/s41586-020-2917-1
