Kvantavkänningsförmågan hos nanodiamanter kan användas för att förbättra känsligheten hos pappersbaserade diagnostiska tester, potentiellt möjliggör tidigare upptäckt av sjukdomar som HIV, enligt en studie ledd av UCL-forskare i i-sense McKendry-gruppen.

Pappersbaserade sidoflödestester fungerar på samma sätt som ett graviditetstest genom att en pappersremsa blötläggs i ett vätskeprov och en förändring i färg – eller fluorescerande signal – indikerar ett positivt resultat och upptäckt av virusproteiner eller DNA. De används i stor utsträckning för att upptäcka virus allt från HIV till SARS-CoV-2 (laterala flödestester för Covid-19 testas för närvarande över hela England) och kan ge en snabb diagnos, eftersom resultatet inte behöver bearbetas i ett labb.

Den nya forskningen, publiceras i Natur , fann att billiga nanodiamanter kunde användas för att signalera närvaron av en HIV-sjukdomsmarkör med en känslighet som är många tusen gånger större än guldnanopartiklarna som ofta används i dessa tester.

Denna större känslighet gör att lägre virusmängder kan detekteras, vilket betyder att testet kan ta upp lägre nivåer av sjukdom eller upptäcka sjukdomen i ett tidigare skede, vilket är avgörande för att minska överföringsrisken för infekterade individer och för effektiv behandling av sjukdomar som HIV.

Forskargruppen arbetar med att anpassa den nya tekniken för att testa för covid-19 och andra sjukdomar under de kommande månaderna. Ett viktigt nästa steg är att utveckla en handhållen enhet som kan "läsa" resultaten, som tekniken demonstrerades med hjälp av ett mikroskop i ett laboratorium. Ytterligare kliniska utvärderingsstudier planeras också.

Huvudförfattare professor Rachel McKendry, Professor i biomedicinsk nanoteknik vid UCL och chef för i-sense EPSRC IRC, sa:"Vår proof-of-concept-studie visar hur kvantteknologier kan användas för att detektera ultralåga nivåer av virus i ett patientprov, möjliggör mycket tidigare diagnos.

"Vi har fokuserat på att upptäcka HIV, men vårt tillvägagångssätt är mycket flexibelt och kan enkelt anpassas till andra sjukdomar och biomarkörtyper. Vi arbetar med att anpassa vårt förhållningssätt till covid-19. Vi tror att denna transformativa nya teknik kommer att gynna patienter och skydda befolkningar från infektionssjukdomar."

Forskarna använde sig av kvantegenskaperna hos nanodiamanter tillverkade med en exakt ofullkomlighet. Denna defekt i den mycket regelbundna strukturen hos en diamant skapar vad som kallas ett kvävevakanscentrum (NV). NV-centra har många potentiella tillämpningar, från fluorescerande biomarkering för användning i ultrakänslig bildbehandling till informationsbearbetning qubits i quantum computing.

NV-centra kan signalera närvaron av ett antigen eller annan målmolekyl genom att avge ett starkt fluorescerande ljus. Förr, fluorescerande markörer har begränsats av bakgrundsfluorescens, antingen från provet eller teststickan, vilket gör det svårare att upptäcka låga koncentrationer av virusproteiner eller DNA som skulle indikera ett positivt test. Dock, kvantegenskaperna hos fluorescerande nanodiamanter gör att deras emission kan moduleras selektivt, vilket betyder att signalen kan fixeras vid en inställd frekvens med hjälp av ett mikrovågsfält och kan effektivt separeras från bakgrundsfluorescensen, åtgärda denna begränsning.

De optiska resultaten visade upp till fem storleksordningar (100, 000 gånger) förbättring av känsligheten jämfört med guldnanopartiklar (det vill säga ett mycket lägre antal nanopartiklar krävdes för att generera en detekterbar signal). Med inkluderandet av ett kort 10-minuters konstant temperaturförstärkningssteg, där kopior av RNA multiplicerades, forskarna kunde detektera HIV-RNA på nivån av en enda molekyl i ett modellprov.

Arbetet demonstrerades i en laboratoriemiljö men teamet hoppas kunna utveckla testerna så att resultaten kan avläsas med en smartphone eller bärbar fluorescensläsare. Detta innebär att testet kan, i framtiden, utföras i låga resurser, göra det mer tillgängligt för användarna.

Första författaren Dr. Ben Miller (i-sense postdoktoral forskningsassistent vid London Centre for Nanotechnology vid UCL) sa:"Pappersbaserade laterala flödestester med guldnanopartiklar kräver inte laboratorieanalys, vilket gör dem särskilt användbara i miljöer med låga resurser och där tillgången till sjukvård är begränsad. De är billiga, portabla, och användarvänlig.

"Dock, dessa tester saknar för närvarande känsligheten för att upptäcka mycket låga nivåer av biomarkörer. Genom att ersätta vanliga guld-nanopartiklar med fluorescerande nanodiamanter i denna nya design, och selektivt modulera deras (redan ljusa) emission av ljus, vi har kunnat separera deras signal från den oönskade bakgrundsfluorescensen av testremsan, dramatiskt förbättrad känslighet."

Medförfattare professor John Morton, Direktör för UCL:s Quantum Science and Technology Institute (UCLQ), sa:"Detta tvärvetenskapliga samarbete mellan UCLQ och i-sense-teamet i LCN är en fantastisk illustration av hur grundläggande arbete med kvantsystem, såsom NV center i diamant, kan utvecklas från labbet och spela en avgörande roll i verkliga tillämpningar inom avkänning och diagnostik. Forskare vid UCLQ utforskar och möjliggör effekten av dessa och andra kvantteknologier genom att arbeta med industrin och andra akademiska forskargrupper."