麻省理工學(xué)院的研究人員利用數(shù)學(xué)模擬表明，有可能設(shè)計(jì)一種基于量子物理學(xué)的傳感器，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(zhǔn)確的檢測，包括識(shí)別新的變種。

2021年12月16日，麻省理工學(xué)院博士生李昌浩、核科學(xué)與工程和物理學(xué)教授Paola Cappellaro、滑鐵盧大學(xué)的Rouholla Soleyman和Mohammad Kohandel在《納米通訊》雜志上發(fā)表的一篇論文中描述了這種新方法。現(xiàn)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(gè)小時(shí)處理的聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）測試。這些測試都不能高度準(zhǔn)確地量化存在的病毒數(shù)量。即使是黃金標(biāo)準(zhǔn)的PCR測試也可能有超過25%的假陰性率。

相比之下，該團(tuán)隊(duì)的分析顯示，新測試的假陰性率可能低于1%。該測試也可能足夠敏感，在短短一秒鐘內(nèi)就能檢測到幾百股病毒RNA。研究人員說，該傳感器只使用低成本的材料，而且這些設(shè)備可以擴(kuò)大規(guī)模，一次性分析一整批樣品。這種新方法利用了微小鉆石中的原子級缺陷，即所謂的氮空位（NV）中心。由于鉆石晶格中發(fā)生的量子效應(yīng)，這些微小的缺陷對微小的擾動(dòng)極為敏感，并且正在被探索用于各種需要高靈敏度的傳感設(shè)備。

這種新方法將涉及在含有這些NV中心的納米金剛石上涂上一種磁耦合的材料，這種材料經(jīng)過處理，只與病毒的特定RNA序列結(jié)合。當(dāng)病毒RNA出現(xiàn)并與這種材料結(jié)合時(shí)，它破壞了磁性連接并導(dǎo)致鉆石的熒光發(fā)生變化，這種變化很容易被基于激光的光學(xué)傳感器檢測到?；卺彽耐繉蛹捌銻NA調(diào)諧的有機(jī)分子可以用普通的化學(xué)工藝和材料來生產(chǎn)，而用于讀出結(jié)果的激光器與廉價(jià)的、可廣泛使用的商業(yè)綠色激光指示器相當(dāng)。

雖然這項(xiàng)初步工作是基于詳細(xì)的數(shù)學(xué)模擬，證明該系統(tǒng)可以在原則上工作，但該團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)努力將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)可工作的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模設(shè)備。他們的計(jì)劃是首先做一個(gè)基本的原理證明實(shí)驗(yàn)室測試，然后研究如何優(yōu)化該系統(tǒng)，使其在真正的病毒診斷應(yīng)用中發(fā)揮作用。

這個(gè)多學(xué)科的過程需要結(jié)合量子物理學(xué)工和程學(xué)的專業(yè)知識(shí)來生產(chǎn)探測器本身，以及化學(xué)和生物學(xué)專業(yè)知識(shí)來開發(fā)與病毒RNA結(jié)合的分子，并找到將這些分子粘合到鉆石表面的方法。即使準(zhǔn)確度相同，這種方法在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生結(jié)果方面仍有很大優(yōu)勢，而不是需要幾個(gè)小時(shí)。

這種基本方法可以適用于任何病毒，包括可能出現(xiàn)的任何新病毒，只需調(diào)整附著在納米金剛石傳感器上的化合物，使其與特定目標(biāo)病毒的通用材料相匹配即可。