Сенсор на основе квантовой физики может обнаруживать вирус SARS-CoV-2

Новый подход к тестированию на наличие вируса, вызывающего COVID-19, может привести к созданию тестов, которые будут быстрее, дешевле и потенциально менее подвержены ошибочным результатам, чем существующие методы обнаружения. Хотя работа, основанная на квантовых эффектах, пока носит теоретический характер, такие детекторы потенциально можно адаптировать для обнаружения практически любого вируса.

Новый подход описан в статье, опубликованной в журнале Nano Letters. Авторы: Чанхао Ли (докторант MIT), Паола Каппелларо (профессор ядерных наук, инженерии и физики), а также Рухолла Солиман и Мохаммад Коандел из Университета Ватерлоо.

Существующие тесты на вирус SARS-CoV-2 включают быстрые тесты, обнаруживающие специфические вирусные белки, и тесты ПЦР, обработка которых занимает несколько часов. Ни один из этих тестов не может точно определить количество присутствующего вируса. Даже золотой стандарт — ПЦР-тесты — может иметь уровень ложноотрицательных результатов более 25%. В отличие от них, анализ команды показывает, что новый тест может иметь уровень ложноотрицательных результатов ниже 1%. Тест также может быть достаточно чувствительным, чтобы обнаружить всего несколько сотен цепочек вирусной РНК за одну секунду.

Новый подход использует атомарные дефекты в крошечных частицах алмаза, известные как азотные вакансии (NV-центры). Эти крошечные дефекты чрезвычайно чувствительны к малым возмущениям благодаря квантовым эффектам в кристаллической решетке алмаза. Их исследуют для создания широкого спектра сенсорных устройств, требующих высокой чувствительности.

Новый метод предполагает покрытие наноалмазов, содержащих эти NV-центры, материалом, который магнитно связан с ними и обработан для связывания только с конкретной последовательностью РНК вируса. Когда РНК вируса присутствует и связывается с этим материалом, это нарушает магнитную связь и вызывает изменения в флуоресценции алмаза, которые легко обнаруживаются с помощью лазерного оптического датчика.

Сенсор использует только недорогие материалы (задействованные алмазы меньше пылинок), и устройства можно масштабировать для одновременного анализа целой партии образцов. Покрытие на основе гадолиния с настроенными на РНК органическими молекулами можно производить с использованием обычных химических процессов и материалов, а лазеры для считывания результатов сопоставимы с дешевыми, широко доступными коммерческими зелеными лазерными указками.

Хотя эта первоначальная работа основана на детальном математическом моделировании, доказывающем работоспособность системы в принципе, команда продолжает работу над созданием работающего лабораторного устройства для подтверждения предсказаний. «Мы не знаем, сколько времени займет финальная демонстрация», — говорит Ли. Их план — сначала провести базовую проверку принципа в лаборатории, а затем работать над оптимизацией системы для применения в реальной диагностике вирусов.

Мультидисциплинарный процесс требует сочетания экспертизы в квантовой физике и инженерии для производства самих детекторов, а также в химии и биологии для разработки молекул, связывающихся с вирусной РНК, и для поиска способов прикрепления их к поверхности алмаза.

Даже если возникнут сложности при переводе теоретического анализа в работающее устройство, предсказанный в этой работе большой запас по снижению ложноотрицательных результатов, вероятно, все равно обеспечит ему сильное преимущество перед стандартными ПЦР-тестами в этом отношении. И даже если точность будет одинаковой, этот метод будет иметь большое преимущество в скорости получения результата — за считанные минуты вместо нескольких часов.

Базовый метод можно адаптировать к любому вирусу, включая любые новые, которые могут появиться, просто изменив соединения, прикрепленные к наноалмазным сенсорам, чтобы они соответствовали генетическому материалу конкретного вируса-мишени.

«Предложенный подход привлекателен как своей универсальностью, так и технологической простотой», — говорит Дэвид Гленн, старший научный сотрудник Quantum Diamond Technologies Inc., не связанный с этой работой. «В частности, описанная здесь чувствительная, полностью оптическая методика обнаружения требует минимального инструментария по сравнению с другими методами, использующими NV-центры».

Он добавляет, что его компания «очень заинтересована в использовании алмазных квантовых сенсоров для создания мощных инструментов биомедицинской диагностики. Само собой разумеется, мы будем с большим интересом следить за тем, как идеи, представленные в этой работе, будут воплощены в лаборатории».