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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