QD датчик, основанный на квантовой физике, может обнаружить вирус SARS-CoV-2

Математическое моделирование показывает, что новый подход может обеспечить более быстрое, дешевое и точное обнаружение, включая выявление новых вариантов.

Дэвид Л. Чандлер

перевод

Информационное бюро Массачусетского технологического института

Дата публикации

20 декабря 2021 года

ЗАПРОСЫ ПРЕССЫ

Используя математическое моделирование, исследователи Массачусетского технологического института показали, что можно было бы разработать датчик, основанный на квантовой физике, который мог бы обнаружить вирус SARS-CoV-2.

Любезно предоставлено исследователями, отредактировано MIT News

The sensor uses only low-cost materials (the diamonds involved are smaller than specks of dust), and the devices could be scaled up to analyze a whole batch of samples at once, the researchers say.

Новый подход к тестированию на наличие вируса, вызывающего Covid-19, может привести к более быстрым, менее дорогостоящим и потенциально менее подверженным ошибочным результатам тестам, чем существующие методы обнаружения. Хотя работа, основанная на квантовых эффектах, все еще является теоретической, эти детекторы потенциально могут быть адаптированы для обнаружения практически любого вируса, говорят исследователи.

Новый подход описан в статье, опубликованной в четверг в журнале Nano Letters, Чанхао Ли, докторантом Массачусетского технологического института; Паолой Каппелларо, профессором ядерной науки, техники и физики; и Рухоллой Солейманом и Мохаммедом Коханделем из Университета Ватерлоо.

Существующие тесты на вирус SARS-CoV-2 включают быстрые тесты, которые обнаруживают специфические вирусные белки, и тесты на полимеразную цепную реакцию (ПЦР), обработка которых занимает несколько часов. Ни один из этих тестов не может с высокой точностью определить количество присутствующего вируса. Даже ПЦР-тесты золотого стандарта могут иметь ложноотрицательные показатели более 25 процентов. Напротив, анализ команды показывает, что новый тест может иметь ложноотрицательные показатели ниже 1 процента. Тест также может быть достаточно чувствительным, чтобы обнаружить всего несколько сотен нитей вирусной РНК всего за секунду.

Новый подход использует дефекты атомного масштаба в крошечных частицах алмаза, известные как центры вакансий азота (NV). Эти крошечные дефекты чрезвычайно чувствительны к мельчайшим возмущениям благодаря квантовым эффектам, происходящим в кристаллической решетке алмаза, и изучаются для широкого спектра чувствительных устройств, требующих высокой чувствительности.

Новый метод будет включать покрытие наноалмазов, содержащих эти NV-центры, материалом, который магнитно связан с ними и обработан для связывания только с определенной последовательностью РНК вируса. Когда вирусная РНК присутствует и связывается с этим материалом, она нарушает магнитную связь и вызывает изменения флуоресценции алмаза, которые легко обнаруживаются с помощью оптического датчика на основе лазера.

В датчике используются только недорогие материалы (используемые алмазы меньше пылинок), и, по словам исследователей, устройства можно масштабировать для анализа сразу целой партии образцов. Покрытие на основе гадолиния с его РНК-настроенными органическими молекулами может быть получено с использованием обычных химических процессов и материалов, а лазеры, используемые для считывания результатов, сопоставимы с дешевыми, широко доступными коммерческими зелеными лазерными указками.

Хотя эта первоначальная работа была основана на подробном математическом моделировании, которое доказало, что система может работать в принципе, команда продолжает работать над переводом этого в рабочее устройство лабораторного масштаба, чтобы подтвердить прогнозы. “Мы не знаем, сколько времени потребуется для окончательной демонстрации”, - говорит Ли. Их план состоит в том, чтобы сначала провести базовый лабораторный тест, подтверждающий принцип, а затем разработать способы оптимизации системы, чтобы она работала в реальных приложениях для диагностики вирусов.

Многодисциплинарный процесс требует сочетания знаний в области квантовой физики и инженерии, для производства самих детекторов, а также в области химии и биологии, для разработки молекул, которые связываются с вирусной РНК, и для поиска способов их соединения с алмазными поверхностями.

Даже если возникнут сложности при переводе теоретического анализа в рабочее устройство, говорит Каппелларо, из этой работы прогнозируется такой большой запас ложноотрицательных результатов, что, вероятно, в этом отношении он все равно будет иметь сильное преимущество перед стандартными ПЦР-тестами. И даже если бы точность была такой же, этот метод все равно имел бы большое преимущество в получении результатов за считанные минуты, а не за несколько часов, говорит она.

Основной метод может быть адаптирован к любому вирусу, говорит она, включая любые новые, которые могут возникнуть, просто путем адаптации соединений, прикрепленных к датчикам наноалмазов, к общему материалу конкретного целевого вируса.

“Предлагаемый подход привлекателен как своей универсальностью, так и технологической простотой”, - говорит Дэвид Гленн, старший научный сотрудник Quantum Diamond Technologies Inc., который не был связан с этой работой. “В частности, описанный здесь чувствительный полностью оптический метод обнаружения требует минимального оборудования по сравнению с другими методами, в которых используются центры вакансий азота”,-говорит он.

Он добавляет, что для его компании “мы очень рады использованию квантовых датчиков на основе алмазов для создания мощных инструментов биомедицинской диагностики. Излишне говорить, что мы будем с большим интересом следить за тем, как идеи, представленные в этой работе, будут переведены в лабораторию”.

Работа была поддержана Исследовательским управлением армии США и Канадским фондом передового опыта в области исследований.

ПОДЕЛИТЕСЬЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬЕЙ НА:

БУМАГА

Статья: “Квантовый датчик SARS-CoV-2 на основе центров вакансий азота в алмазе”.

УПОМИНАНИЯ В ПРЕССЕ

"Вашингтон Пост"

Исследователи Массачусетского технологического института разрабатывают инновации, направленные на улучшение диагностики Covid-19, включая тест на атомном уровне, предназначенный для повышения точности тестирования, сообщает Стивен Зейчик для Washington Post. Профессор Джеймс Коллинз и его команда разрабатывают “маску,которая использует технологию сублимационной сушки для обнаружения коронавируса".

Полная история через The Washington Post →