数学模拟显示，新方法可能提供更快、更便宜、更准确的检测，包括识别新的变体。

一种检测导致Covid-19的病毒存在的新方法可能导致比现有检测方法更快、更便宜、可能更不容易出现错误结果的检测。研究人员说，尽管这项基于量子效应的工作仍然是理论性的，但这些检测器有可能被改造为检测几乎任何病毒。

麻省理工学院博士生李昌镐、核科学与工程和物理学教授Paola Cappellaro、滑铁卢大学的Rouholla Soleyman和Mohammad Kohandel周四在《纳米通讯》杂志上发表的一篇论文中描述了这种新方法。

现有的SARS-CoV-2病毒测试包括检测特定病毒蛋白的快速测试，以及需要几个小时处理的聚合酶链反应（PCR）测试。这些测试都不能高度准确地量化存在的病毒量。即使是黄金标准的PCR测试也可能有超过25%的假阴性率。相比之下，该团队的分析显示，新测试的假阴性率可能低于1%。该测试也可能足够敏感，在短短一秒钟内就能检测到几百条病毒RNA链。

这种新方法利用了钻石微小部分的原子级缺陷，即所谓的氮空位（NV）中心。由于钻石晶格中发生的量子效应，这些微小的缺陷对微小的扰动极为敏感，并且正在被探索用于各种需要高灵敏度的传感设备。

这种新方法将涉及在含有这些NV中心的纳米钻石上涂上一种材料，这种材料是磁耦合的，并被处理成只与病毒的特定RNA序列结合。当病毒RNA存在并与这种材料结合时，它破坏了磁性连接并导致钻石的荧光发生变化，这种变化很容易被基于激光的光学传感器检测到。

研究人员说，这种传感器只使用低成本的材料（所涉及的钻石比灰尘的斑点还要小），而且这些设备可以扩大规模，一次性分析一整批样品。基于钆的涂层及其RNA调谐的有机分子可以用普通的化学工艺和材料来生产，用于读出结果的激光器可以与廉价的、广泛使用的商业绿色激光指示器相媲美。

虽然这项初步工作是基于详细的数学模拟，证明该系统可以在原则上工作，但该团队正在继续努力将其转化为一个工作的实验室规模的设备，以确认预测。"李说："我们不知道要花多长时间来做最终的演示。他们的计划是首先做一个基本的原理证明实验室测试，然后研究如何优化该系统，使其在真正的病毒诊断应用中发挥作用。

这个多学科的过程需要结合量子物理学和工程学的专业知识来生产探测器本身，以及化学和生物学的专业知识来开发与病毒RNA结合的分子，并找到将这些分子粘合到钻石表面的方法。

Cappellaro说，即使在将理论分析转化为工作装置的过程中出现了复杂的情况，从这项工作中预测出的低假阴性率有如此大的幅度，在这方面它可能仍然比标准PCR测试具有强大的优势。她说，即使准确度相同，这种方法在几分钟内产生结果方面仍有很大优势，而不是需要几个小时。

她说，这种基本方法可以适用于任何病毒，包括可能出现的任何新病毒，只需调整附着在纳米钻石传感器上的化合物，使之与特定目标病毒的通用材料相匹配即可。

"量子钻石技术公司的高级研究科学家David Glenn说："所提出的方法因其通用性和技术的简单性而具有吸引力，他与这项工作没有关系。"他说："特别是，与其他采用氮空位中心的方法相比，这里描述的敏感的全光检测技术需要最小的仪器。

他补充说，对于他的公司，“我们对使用基于金刚石的量子传感器来构建强大的生物医学诊断工具感到非常兴奋。毋庸置疑，随着这项工作中提出的想法被转化为实验室，我们将非常感兴趣。”

大卫·钱德勒 |麻省理工学院新闻办公室发布日期：2021 年 12 月 20 日

原文：https://news.mit.edu/2021/quantum-sensor-detect-covid-1220