Sensor baseret på kvantefysik kunne detektere SARS-CoV-2-virus

En ny tilgang til at teste for tilstedeværelsen af ​​den virus, der forårsager COVID-19, kan føre til test, der er hurtigere, billigere og potentielt mindre tilbøjelige til at give fejlagtige resultater end eksisterende detektionsmetoder. Selvom arbejdet, baseret på kvanteeffekter, stadig er teoretisk, kan disse detektorer potentielt tilpasses til at detektere stort set enhver virus, siger forskerne.

Den nye tilgang er beskrevet i et papir offentliggjort torsdag i tidsskriftet Nano Letters , af Changhao Li, en MIT ph.d.-studerende; Paola Cappellaro, professor i nuklear videnskab og teknik og i fysik; og Rouholla Soleyman og Mohammad Kohandel fra University of Waterloo.

Eksisterende test for SARS-CoV-2-virus inkluderer hurtige test, der detekterer specifikke virale proteiner, og polymerasekædereaktion (PCR) test, der tager flere timer at behandle. Ingen af ​​disse tests kan kvantificere mængden af ​​virus til stede med høj nøjagtighed. Selv guldstandard PCR-tests kan have falsk-negative rater på mere end 25 procent. I modsætning hertil viser holdets analyse, at den nye test kunne have falsk negative rater under 1 procent. Testen kunne også være følsom nok til at detektere blot et par hundrede strenge af det virale RNA inden for blot et sekund.

Den nye tilgang gør brug af atomare skala defekter i bittesmå stykker diamant, kendt som nitrogen vacancy (NV) centre. Disse bittesmå defekter er ekstremt følsomme over for små forstyrrelser, takket være kvanteeffekter, der finder sted i diamantens krystalgitter, og de udforskes for en lang række sensorenheder, der kræver høj følsomhed.

Den nye metode vil involvere at belægge de nanodiamanter, der indeholder disse NV-centre, med et materiale, der er magnetisk koblet til dem og er blevet behandlet til kun at binde sig til den specifikke RNA-sekvens af virussen. Når virus-RNA'et er til stede og binder til dette materiale, forstyrrer det den magnetiske forbindelse og forårsager ændringer i diamantens fluorescens, som let kan detekteres med en laserbaseret optisk sensor.

Sensoren bruger kun billige materialer (de involverede diamanter er mindre end støvpletter), og enhederne kunne skaleres op for at analysere en hel batch af prøver på én gang, siger forskerne. Den gadolinium-baserede belægning med dens RNA-tunede organiske molekyler kan fremstilles ved hjælp af almindelige kemiske processer og materialer, og laserne, der bruges til at udlæse resultaterne, kan sammenlignes med billige, almindeligt tilgængelige kommercielle grønne laserpointere.

Mens dette indledende arbejde var baseret på detaljerede matematiske simuleringer, der beviste, at systemet kan fungere i princippet, fortsætter teamet med at arbejde på at oversætte det til en fungerende enhed i laboratorieskala for at bekræfte forudsigelserne. "Vi ved ikke, hvor lang tid det vil tage at lave den endelige demonstration," siger Li. Deres plan er først at lave en grundlæggende proof-of-principle laboratorietest og derefter at arbejde på måder at optimere systemet for at få det til at fungere på rigtige virusdiagnoseapplikationer.

Den multidisciplinære proces kræver en kombination af ekspertise inden for kvantefysik og teknik, til fremstilling af selve detektorerne og inden for kemi og biologi, for udvikling af de molekyler, der binder til det virale RNA, og for at finde måder at binde disse til diamantoverfladerne.

Selv hvis der opstår komplikationer ved at oversætte den teoretiske analyse til en fungerende enhed, siger Cappellaro, er der så stor en margin af lavere falske negativer forudsagt fra dette arbejde, at det sandsynligvis stadig vil have en stærk fordel i forhold til standard PCR-tests i den forbindelse. Og selv hvis nøjagtigheden var den samme, ville denne metode stadig have en stor fordel ved at producere sine resultater på få minutter i stedet for at kræve flere timer, siger hun.

Den grundlæggende metode kan tilpasses til enhver virus, siger hun, inklusive enhver ny, der måtte opstå, blot ved at tilpasse de forbindelser, der er knyttet til nanodiamantsensorerne, så de matcher det generiske materiale af den specifikke målvirus.

"Den foreslåede tilgang er tiltalende både for dens almene karakter og dens teknologiske enkelhed," siger David Glenn, seniorforsker ved Quantum Diamond Technologies Inc., som ikke var forbundet med dette arbejde. "Isærligt kræver den følsomme, helt optiske detektionsteknik, der er beskrevet her, minimal instrumentering sammenlignet med andre metoder, der anvender nitrogenfritidscentre," siger han.

Han tilføjer, at for hans virksomhed, "er vi meget begejstrede for at bruge diamantbaserede kvantesensorer til at bygge kraftfulde værktøjer til biomedicinsk diagnostik. Det er overflødigt at sige, at vi vil følge med med stor interesse, når ideerne i dette arbejde bliver oversat til laboratoriet." + Udforsk yderligere

Forskere udvikler hurtige, meget nøjagtige test til at opdage vira som SARS-COV-2

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.