熒光納米金剛石（Fluorescent nanodiamonds，F(xiàn)ND）中氮空位（nitrogen-vacancy，NV）缺陷的量子自旋特性，不僅在量子計算和通信領域應用廣泛，其熒光性能也十分優(yōu)異，包括高量子產(chǎn)率，無光閃爍或光漂白，高穩(wěn)定以及低毒性等。在磁場量化、溫度傳感和生物標記等方向上也存在著廣泛的應用。與中性（NV0）中心不同，NV-中心的主要優(yōu)勢在于，其熒光可以通過自旋調(diào)控的方式進行選擇性調(diào)節(jié)，從而在高背景環(huán)境中實現(xiàn)信號分離。
       傳染病對全球健康構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)，而早期的診斷對于各種傳染病有效的治療和預防至關重要。目前對傳染病病毒，如艾滋病病毒（HIV）或是新冠病毒（Covid-19）檢測的方法較為繁瑣，且需要較長時間。而與妊娠測試相似的紙基側(cè)向流動測試（lateral flow assay, LFA）則是一種便捷的檢測方法。其工作方式為將紙的一端浸入樣本中，通過顏色（或熒光信號）的變化與否進行診斷。這種方法便捷且迅速，無需在實驗室中處理結(jié)果。然而，當前基于納米顆粒的生物傳感器的靈敏度仍然欠缺。

       近日，英國倫敦大學的Benjamin S. Miller等與Rachel A. McKendry課題組合作，將熒光納米金剛石用作體外診斷的超靈敏標簽，并通過微波調(diào)節(jié)發(fā)射強度與頻域分析，將信號與背景熒光信號分離，突破了靈敏度的限制。基于該技術(shù)的低成本檢測試紙，對生物素-親和素模型的檢測極限達到了8.2×10-19摩爾。在對HIV病毒檢測實驗中，比傳統(tǒng)使用金納米顆粒的檢測靈敏度提高了98000倍。此外，由于HIV病毒相對于抗原和抗體能夠更早的被檢測到（分別提早7天與16天），因此與現(xiàn)有的基于實驗室的核酸檢測或即時蛋白檢測相比，該技術(shù)提供了更早診斷的潛力。除了HIV病毒之外，該技術(shù)還適用于SARS-CoV-2病毒，并正在進行新冠病毒的試點。該研究以題為“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature》上。

傳統(tǒng)的生物傳感檢測中，熒光標記物受到來自于樣品或試紙條的背景熒光的限制，大大阻礙了對低濃度的RNA或DNA的檢測。在該研究中，研究人員主要利用了納米金剛石中氮空位缺陷的量子特性。這種量子特性允許通過微波場調(diào)控的方式，對靶向分子發(fā)出的熒光信號進行調(diào)節(jié)，將信號固定在設定好的頻率上，從而將目標熒光信號與背景信號分離，實現(xiàn)低濃度檢測。

基于納米金剛石的側(cè)向流動測試

通過微波對納米金剛石熒光信號進行調(diào)節(jié)

光學結(jié)果表明，與金納米顆粒相比，基于納米金剛石的樣品靈敏度提高了五個數(shù)量級（98000倍）（這意味著生成可檢測信號所需的納米顆粒數(shù)量要少得多）。且恒溫核酸擴增耗時僅為10分鐘（RNA增殖），這使得對艾滋病病毒的單分子檢測成為現(xiàn)實。

基于納米金剛石的側(cè)向流動測試的檢測極限

第一作者Benjamin S. Miller博士表示，基于紙的測向流動測試避免了繁瑣的實驗室分析，顯著提升了測試便捷性與及時性，同時大大降低了成本，這使得它們在資源貧乏地區(qū)特別適用。

另一位通訊作者Rachel A. McKendry表示，該技術(shù)非常靈活，可以輕松適應其他疾病和生物標記物類型。當下研究團隊正在進行該技術(shù)在新冠病毒檢測方面的研究。Rachel A. McKendry相信，這種變革性的新技術(shù)將使患者受益，并保護人們免受傳染病的侵害。

目前，該技術(shù)已經(jīng)成功在實驗室環(huán)境中進行了演示，但是，研究人員希望進行進一步的測試，以便可以使用智能手機或便攜式熒光讀取器讀取結(jié)果。這意味著將來可以在資源較少的環(huán)境中進行測試，從而更便捷的進行病毒檢測。