Op kwantumfysica gebaseerde sensor kan SARS-CoV-2 detecteren

Een nieuwe benadering van testen op het virus dat COVID-19 veroorzaakt, zou kunnen leiden tot tests die sneller, goedkoper en mogelijk minder vatbaar zijn voor valse resultaten dan de huidige detectiemethoden. Hoewel het werk, gebaseerd op kwantumeffecten, nog steeds theoretisch is, kunnen deze reagentia worden aangepast om vrijwel elk virus te detecteren, zeggen de onderzoekers.

De nieuwe aanpak wordt beschreven in een artikel dat donderdag in het tijdschrift is gepubliceerd nano-lettersdoor Changhao Li, een doctoraatsstudent aan het Massachusetts Institute of Technology; Paula Capellaro, hoogleraar nucleaire wetenschappen, techniek en natuurkunde; en Ruhula Suleiman en Mohamed Kwandel van de Universiteit van Waterloo.

Huidige tests voor SARS-CoV-2 omvatten snelle tests die specifieke virale eiwitten detecteren, en polymerasekettingreactie PCR-tests die enkele uren duren om te verwerken. Geen van deze twee tests kan de hoeveelheid aanwezig virus met hoge nauwkeurigheid bepalen. Zelfs gouden standaard PCR-tests kunnen fout-negatieve percentages van meer dan 25 procent hebben. De analyse van het team laat daarentegen zien dat: nieuwe test Ze kunnen vals-negatieve percentages hebben van minder dan 1 procent. de Test Het kan ook gevoelig genoeg zijn om in slechts een seconde een paar honderd strengen viraal RNA te detecteren.

De nieuwe benadering maakt gebruik van defecten op atomaire schaal in kleine stukjes diamant, ook wel stikstofvacuümcentra (NV) genoemd. Deze kleine defecten zijn erg gevoelig voor microverstoringen, dankzij kwantitatieve effecten Ze komen voor in het diamantkristalrooster en worden onderzocht voor een breed scala aan sensoren die een hoge gevoeligheid vereisen.

De nieuwe methode omvat het coaten van diamanten nanobuisjes die deze NV-centra bevatten met een materiaal dat er magnetisch aan is gekoppeld en verwerkt om alleen aan de specifieke RNA-sequentie van het virus te binden. Wanneer virus-RNA aanwezig is en zich aan dit materiaal bindt, verstoort het het magnetische contact en veroorzaakt het veranderingen in diamantfluorescentie die gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd met een op laser gebaseerde optische sensor.

De sensor gebruikt alleen goedkope materialen (de diamanten in kwestie zijn kleiner dan stofdeeltjes), en de instrumentatie kan worden opgeschaald om een ​​hele reeks monsters tegelijk te analyseren, aldus de onderzoekers. Coating op basis van gadolinium met eigen RNA organische moleculen Ze kunnen worden geproduceerd met behulp van gemeenschappelijke processen en chemicaliën, en de lasers die worden gebruikt om de resultaten te lezen, zijn vergelijkbaar met goedkope en algemeen verkrijgbare commerciële groene laserpointers.

Hoewel dit eerste werk was gebaseerd op gedetailleerde wiskundige simulaties die aantoonden dat het systeem in principe zou kunnen werken, blijft het team werken aan de vertaling hiervan naar een apparaat op laboratoriumschaal om de voorspellingen te bevestigen. “We weten niet hoe lang het duurt om de laatste demonstratie te doen”, zegt Lee. Hun plan is om eerst een fundamentele proof-of-principle-labtest uit te voeren en vervolgens te werken aan manieren om het systeem te verbeteren zodat het werkt voor echte virusdiagnosetoepassingen.

Het multidisciplinaire proces vereist een combinatie van expertise in kwantumfysica en engineering, om de detectoren zelf te produceren, en in chemie en biologie, om moleculen te ontwikkelen die binden aan viraal RNA en om manieren te vinden om ze aan diamantoppervlakken te binden.

Zelfs als er complicaties zijn in de vertaling theoretische analyse In een apparaat dat werkt, zegt Capellaro, wordt er een grote marge van lage fout-negatieven verwacht van dit werk, die in dit opzicht waarschijnlijk nog steeds een groot voordeel zullen hebben ten opzichte van standaard PCR-tests. Zelfs als de nauwkeurigheid vergelijkbaar zou zijn, zegt ze, heeft deze methode nog steeds het enorme voordeel dat resultaten binnen enkele minuten worden geproduceerd, in plaats van enkele uren.

Ze zegt dat de basismethode kan worden aangepast aan elk virus, inclusief elk nieuw virus dat kan ontstaan, simpelweg door de verbindingen die aan de nanodiamantsensoren zijn bevestigd aan te passen aan het algemene materiaal van het specifieke doelwit. virus.

“De voorgestelde aanpak is aantrekkelijk vanwege zijn algemeenheid en technologische eenvoud”, zegt David Glenn, senior onderzoeker bij Quantum Diamond Technologies Inc, die niet betrokken was bij dit werk. “Met name de hier beschreven optische detectie- en gevoeligheidstechniek vereist minimale instrumentatie in vergelijking met andere methoden die lege stikstofcentra gebruiken”, zegt hij.

Voor zijn bedrijf voegt hij eraan toe: “We zijn erg enthousiast over het gebruik van op diamanten gebaseerde kwantumsensoren om krachtige hulpmiddelen voor biomedische diagnostiek te bouwen. Het behoeft geen betoog dat we met grote belangstelling zullen volgen wanneer de ideeën die in dit werk worden gepresenteerd, in het laboratorium worden vertaald. ”

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met toestemming van MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over onderzoek, innovatie en onderwijs aan het MIT.