量子技术允许对单个原子和亚原子粒子进行操纵和感测，以利用它们的特性，这将使超灵敏的化学传感器和生物传感器具有更高的选择性和响应时间，而还能使成像设备的分辨率、范围大大提高，并且还可以实现透过遮盖物或拐过去看物体的神奇能力。随着此类量子设备的小型化和进一步功能化，该技术有机会显著影响目前依赖于化学传感、生物传感或成像的关键应用，例如环境监测，医疗保健诊断，安全和防御，食品质量监测，工业安全和质量控制和潜在的运输，而且还有可能严重重创这些领域，从而实现“量子霸权”！目前，金刚石中氮空位缺陷的量子自旋特性使量子计算和通信中的各种应用成为可能。同样，荧光纳米金刚石（FNDs）对于体外生物传感也具有吸引人的特性，包括高量子产率、无闪烁和光漂白，以及高稳定性、低细胞毒性、可用于生物功能化的表面基团以及易于大规模制造（例如通过高压、高温金刚石的研磨）。基于纳米颗粒的生物传感器对于疾病的早期发现非常重要，但它们通常缺乏所需的灵敏度。早期发现和灵敏度对于大流行疾病的筛查和跟踪在这次疫情中也体现了其重要性。鉴于此，伦敦大学学院Rachel A. McKendry和Benjamin S. Miller等人利用纳米金刚石的量子感测能力，使用基于微波的自旋操作来增加信噪比，进而提高基于纸质的诊断测试的灵敏度，从而可能更早地检测出诸如HIV之类的疾病。成果发表Nature期刊上。整体工作过程如下：FND可以用作硝化纤维条上的纳米颗粒标记，在其上进行多步结合测定，几乎不需要用户输入即可在靶核酸存在下在测试线结合。固定后，可以使用微波场以固定的频率调制FND的荧光，从而可以对其进行特异性检测和定量。基于纸质侧向流动测试与验孕棒的工作方式相同，只需将一条纸浸入液体样本中，然后根据颜色（或荧光信号）的变化表示阳性结果，并检测出病毒蛋白或DNA。它们被广泛地用于检测从HIV到SARS-CoV-2的病毒，因为这可以提供快速诊断，而不必在实验室中处理结果。NV中心可以通过发出明亮的荧光来发出抗原或其他靶分子的信号。过去，荧光标记受到来自样品或试纸条的背景荧光的限制，这使得检测低浓度的病毒蛋白或DNA难以显示阳性检测变得更加困难。但是，荧光纳米金刚石的量子性质允许选择性地调节其发射，这意味着可以使用微波场将信号固定在设定的频率上，并且可以有效地将其与背景荧光分离，从而解决了这一限制。这项新的研究发现，低成本的纳米金刚石可用于发出HIV疾病标志物的信号，其灵敏度是这些测试中广泛使用的金纳米颗粒的数千倍。具体而言，研究人员通过生物素-亲和素模型进行测试，实现了8.2×10-19摩尔的检测极限，其灵敏度是金纳米颗粒的105倍。另外，加上短短的10分钟恒温扩增步骤（在其中RNA的拷贝数倍增），研究人员能够在模型样品中以单个分子的水平检测HIV RNA。图|使用LND上FND的生物素-亲和素结合来表征检测的基本极限
图|使用RT–RPA和FND对LFA上的HIV-1 RNA进行单拷贝检测据悉，该研究小组希望开发测试，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，从而使用户更容易进行测试。综上所述，该技术的低功耗（0.25 W微波功率）、光学读出和潜在的便携性使其适用于低资源环境中的超灵敏诊断和监测。纸质微流体上的FND为体外疾病诊断提供了一种灵敏、可靠的标记和读出方法。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
