熒光納米金剛石（Fluorescent nanodiamonds，F(xiàn)ND）中氮空位（nitrogen-vacancy，NV）缺陷的量子自旋特性，不僅在量子計(jì)算和通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其熒光性能也十分優(yōu)異，包括高量子產(chǎn)率，無光閃爍或光漂白，高穩(wěn)定以及低毒性等。在磁場(chǎng)量化、溫度傳感和生物標(biāo)記等方向上也存在著廣泛的應(yīng)用。與中性（NV0）中心不同，NV-中心的主要優(yōu)勢(shì)在于，其熒光可以通過自旋調(diào)控的方式進(jìn)行選擇性調(diào)節(jié)，從而在高背景環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離。

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傳染病對(duì)全球健康構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)，而早期的診斷對(duì)于各種傳染病有效的治療和預(yù)防至關(guān)重要。目前對(duì)傳染病病毒，如艾滋病病毒（HIV）或是新冠病毒（Covid-19）檢測(cè)的方法較為繁瑣，且需要較長(zhǎng)時(shí)間。而與妊娠測(cè)試相似的紙基側(cè)向流動(dòng)測(cè)試（lateral flow assay, LFA）則是一種便捷的檢測(cè)方法。其工作方式為將紙的一端浸入樣本中，通過顏色（或熒光信號(hào)）的變化與否進(jìn)行診斷。這種方法便捷且迅速，無需在實(shí)驗(yàn)室中處理結(jié)果。然而，當(dāng)前基于納米顆粒的生物傳感器的靈敏度仍然欠缺。

近日，英國(guó)倫敦大學(xué)的Benjamin S. Miller等與Rachel A. McKendry課題組合作，將熒光納米金剛石用作體外診斷的超靈敏標(biāo)簽，并通過微波調(diào)節(jié)發(fā)射強(qiáng)度與頻域分析，將信號(hào)與背景熒光信號(hào)分離，突破了靈敏度的限制。基于該技術(shù)的低成本檢測(cè)試紙，對(duì)生物素-親和素模型的檢測(cè)極限達(dá)到了8.2×10-19摩爾。在對(duì)HIV病毒檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，比傳統(tǒng)使用金納米顆粒的檢測(cè)靈敏度提高了98000倍。此外，由于HIV病毒相對(duì)于抗原和抗體能夠更早的被檢測(cè)到（分別提早7天與16天），因此與現(xiàn)有的基于實(shí)驗(yàn)室的核酸檢測(cè)或即時(shí)蛋白檢測(cè)相比，該技術(shù)提供了更早診斷的潛力。除了HIV病毒之外，該技術(shù)還適用于SARS-CoV-2病毒，并正在進(jìn)行新冠病毒的試點(diǎn)。該研究以題為“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature》上。

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傳統(tǒng)的生物傳感檢測(cè)中，熒光標(biāo)記物受到來自于樣品或試紙條的背景熒光的限制，大大阻礙了對(duì)低濃度的RNA或DNA的檢測(cè)。在該研究中，研究人員主要利用了納米金剛石中氮空位缺陷的量子特性。這種量子特性允許通過微波場(chǎng)調(diào)控的方式，對(duì)靶向分子發(fā)出的熒光信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將信號(hào)固定在設(shè)定好的頻率上，從而將目標(biāo)熒光信號(hào)與背景信號(hào)分離，實(shí)現(xiàn)低濃度檢測(cè)。

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光學(xué)結(jié)果表明，與金納米顆粒相比，基于納米金剛石的樣品靈敏度提高了五個(gè)數(shù)量級(jí)（98000倍）（這意味著生成可檢測(cè)信號(hào)所需的納米顆粒數(shù)量要少得多）。且恒溫核酸擴(kuò)增耗時(shí)僅為10分鐘（RNA增殖），這使得對(duì)艾滋病病毒的單分子檢測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。

第一作者Benjamin S. Miller博士表示，基于紙的測(cè)向流動(dòng)測(cè)試避免了繁瑣的實(shí)驗(yàn)室分析，顯著提升了測(cè)試便捷性與及時(shí)性，同時(shí)大大降低了成本，這使得它們?cè)谫Y源貧乏地區(qū)特別適用。

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另一位通訊作者Rachel A. McKendry表示，該技術(shù)非常靈活，可以輕松適應(yīng)其他疾病和生物標(biāo)記物類型。當(dāng)下研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行該技術(shù)在新冠病毒檢測(cè)方面的研究。Rachel A. McKendry相信，這種變革性的新技術(shù)將使患者受益，并保護(hù)人們免受傳染病的侵害。

目前，該技術(shù)已經(jīng)成功在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行了演示，但是，研究人員希望進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試，以便可以使用智能手機(jī)或便攜式熒光讀取器讀取結(jié)果。這意味著將來可以在資源較少的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，從而更便捷的進(jìn)行病毒檢測(cè)。

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