麻省理工提出量子新冠感測器概念 可提供更快更準確的檢測結果
麻省理工學院的研究人員利用數學類比表明,有可能設計一種基於量子物理學的感測器,可以檢測SARS-CoV-2病毒。 這種新方法可能提供更快、更便宜和更準確的檢測,包括識別新的變種。
2021年12月16日,麻省理工學院博士生李昌浩、核科學與工程和物理學教授Paola Cappellaro、滑鐵盧大學的Rouholla Soleyman和Mohammad Kohandel在《納米通訊》雜誌上發表的一篇論文中描述了這種新方法。 現有的SARS-CoV-2病毒測試包括檢測特定病毒蛋白的快速測試,以及需要幾個小時處理的聚合酶鏈反應(PCR)測試。 這些測試都不能高度準確地量化存在的病毒數量。 即使是黃金標準的PCR測試也可能有超過25%的假陰性率。
相比之下,該團隊的分析顯示,新測試的假陰性率可能低於1%。 該測試也可能足夠敏感,在短短一秒鐘內就能檢測到幾百股病毒RNA。 研究人員說,該感測器只使用低成本的材料,而且這些設備可以擴大規模,一次性分析一整批樣品。 這種新方法利用了微小鑽石中的原子級缺陷,即所謂的氮空位(NV)中心。 由於鑽石晶格中發生的量子效應,這些微小的缺陷對微小的擾動極為敏感,並且正在被探索用於各種需要高靈敏度的感測設備。
這種新方法將涉及在含有這些NV中心的納米金剛石上塗上一種磁耦合的材料,這種材料經過處理,只與病毒的特定RNA序列結合。 當病毒RNA出現並與這種材料結合時,它破壞了磁性連接並導致鑽石的螢光發生變化,這種變化很容易被基於鐳射的光學感測器檢測到。 基於釙的塗層及其RNA調諧的有機分子可以用普通的化學工藝和材料來生產,而用於讀出結果的雷射器與廉價的、可廣泛使用的商業綠色鐳射指示器相當。
雖然這項初步工作是基於詳細的數學類比,證明該系統可以在原則上工作,但該團隊正在繼續努力將其轉化為一個可工作的實驗室規模設備。 他們的計劃是首先做一個基本的原理證明實驗室測試,然後研究如何優化該系統,使其在真正的病毒診斷應用中發揮作用。
這個多學科的過程需要結合量子物理學工和程學的專業知識來生產探測器本身,以及化學和生物學專業知識來開發與病毒RNA結合的分子,並找到將這些分子粘合到鑽石表面的方法。 即使準確度相同,這種方法在幾分鐘內產生結果方面仍有很大優勢,而不是需要幾個小時。
這種基本方法可以適用於任何病毒,包括可能出現的任何新病毒,只需調整附著在納米金剛石感測器上的化合物,使其與特定目標病毒的通用材料相匹配即可。