En ny metod för att testa förekomsten av viruset som orsakar COVID-19 kan leda till tester som är snabbare, billigare och potentiellt mindre benägna att få felaktiga resultat än befintliga detektionsmetoder. Även om arbetet, baserat på kvanteffekter, fortfarande är teoretiskt, kan dessa detektorer potentiellt anpassas för att upptäcka praktiskt taget alla virus, säger forskarna.

Det nya tillvägagångssättet beskrivs i en artikel som publicerades på torsdagen i tidskriften Nano Letters , av Changhao Li, en doktorand vid MIT; Paola Cappellaro, professor i kärnvetenskap och teknik och i fysik; och Rouholla Soleyman och Mohammad Kohandel från University of Waterloo.

Befintliga tester för SARS-CoV-2-viruset inkluderar snabbtester som detekterar specifika virala proteiner och polymeraskedjereaktion (PCR)-tester som tar flera timmar att bearbeta. Inget av dessa test kan kvantifiera mängden virus som finns med hög noggrannhet. Även de guldstandard PCR-testerna kan ha falsknegativa frekvenser på mer än 25 procent. Däremot visar lagets analys att det nya testet kan ha falska negativa siffror under 1 procent. Testet kan också vara tillräckligt känsligt för att upptäcka bara några hundra strängar av det virala RNA:t på bara en sekund.

Det nya tillvägagångssättet använder sig av atomskaliga defekter i små diamantbitar, kända som kvävevakanscenter (NV). Dessa små defekter är extremt känsliga för små störningar, tack vare kvanteffekter som äger rum i diamantens kristallgitter, och undersöks för en mängd olika avkänningsenheter som kräver hög känslighet.

Den nya metoden skulle innebära att nanodiamanterna som innehåller dessa NV-centra beläggs med ett material som är magnetiskt kopplat till dem och som har behandlats för att binda endast till virusets specifika RNA-sekvens. När virus-RNA är närvarande och binder till detta material, stör det den magnetiska anslutningen och orsakar förändringar i diamantens fluorescens som lätt detekteras med en laserbaserad optisk sensor.

Sensorn använder bara lågkostnadsmaterial (de inblandade diamanterna är mindre än dammfläckar), och enheterna kan skalas upp för att analysera en hel sats av prover på en gång, säger forskarna. Den gadoliniumbaserade beläggningen med dess RNA-avstämda organiska molekyler kan produceras med vanliga kemiska processer och material, och lasrarna som används för att läsa ut resultaten är jämförbara med billiga, allmänt tillgängliga kommersiella gröna laserpekare.

Även om detta inledande arbete var baserat på detaljerade matematiska simuleringar som visade att systemet kan fungera i princip, fortsätter teamet att arbeta med att översätta det till en fungerande enhet i laboratorieskala för att bekräfta förutsägelserna. "Vi vet inte hur lång tid det kommer att ta att genomföra den sista demonstrationen", säger Li. Deras plan är att först göra ett grundläggande proof-of-principe-labbtest och sedan arbeta med sätt att optimera systemet så att det fungerar med riktiga virusdiagnosapplikationer.

Den multidisciplinära processen kräver en kombination av expertis inom kvantfysik och teknik, för att tillverka själva detektorerna och inom kemi och biologi, för att utveckla de molekyler som binder till det virala RNA:t och för att hitta sätt att binda dessa till diamantytorna.

Även om komplikationer uppstår vid översättning av den teoretiska analysen till en fungerande enhet, säger Cappellaro, finns det en så stor marginal av lägre falska negativa förutsägelser från detta arbete att det troligen fortfarande kommer att ha en stark fördel jämfört med vanliga PCR-tester i det avseendet. Och även om noggrannheten vore densamma, skulle den här metoden fortfarande ha en stor fördel i att producera sina resultat på bara några minuter, snarare än att kräva flera timmar, säger hon.

Den grundläggande metoden kan anpassas till vilket virus som helst, säger hon, inklusive alla nya som kan uppstå, helt enkelt genom att anpassa föreningarna som är fästa på nanodiamantsensorerna för att matcha det generiska materialet för det specifika målviruset.

"Det föreslagna tillvägagångssättet är tilltalande både för dess generella karaktär och dess tekniska enkelhet", säger David Glenn, senior forskare vid Quantum Diamond Technologies Inc., som inte var associerad med detta arbete. "Särskilt kräver den känsliga, helt optiska detektionstekniken som beskrivs här minimal instrumentering jämfört med andra metoder som använder kvävevakanscenter", säger han.

Han tillägger att för hans företag är vi väldigt glada över att använda diamantbaserade kvantsensorer för att bygga kraftfulla verktyg för biomedicinsk diagnostik. Det behöver inte sägas att vi kommer att följa med med stort intresse när idéerna som presenteras i detta arbete översätts till labbet." + Utforska vidare

Forskare utvecklar snabba, mycket exakta test för att upptäcka virus som SARS-COV-2

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.