麻省理工学院的研究人员利用数学模拟表明，有可能设计一种基于量子物理学的传感器，可以检测SARS-CoV-2病毒。这种新方法可能提供更快、更便宜和更准确的检测，包括识别新的变种。


2021年12月16日，麻省理工学院博士生李昌浩、核科学与工程和物理学教授Paola Cappellaro、滑铁卢大学的Rouholla Soleyman和Mohammad Kohandel在《纳米通讯》杂志上发表的一篇论文中描述了这种新方法。现有的SARS-CoV-2病毒测试包括检测特定病毒蛋白的快速测试，以及需要几个小时处理的聚合酶链反应（PCR）测试。这些测试都不能高度准确地量化存在的病毒数量。即使是黄金标准的PCR测试也可能有超过25%的假阴性率。




相比之下，该团队的分析显示，新测试的假阴性率可能低于1%。该测试也可能足够敏感，在短短一秒钟内就能检测到几百股病毒RNA。研究人员说，该传感器只使用低成本的材料，而且这些设备可以扩大规模，一次性分析一整批样品。这种新方法利用了微小钻石中的原子级缺陷，即所谓的氮空位（NV）中心。由于钻石晶格中发生的量子效应，这些微小的缺陷对微小的扰动极为敏感，并且正在被探索用于各种需要高灵敏度的传感设备。




这种新方法将涉及在含有这些NV中心的纳米金刚石上涂上一种磁耦合的材料，这种材料经过处理，只与病毒的特定RNA序列结合。当病毒RNA出现并与这种材料结合时，它破坏了磁性连接并导致钻石的荧光发生变化，这种变化很容易被基于激光的光学传感器检测到。基于钆的涂层及其RNA调谐的有机分子可以用普通的化学工艺和材料来生产，而用于读出结果的激光器与廉价的、可广泛使用的商业绿色激光指示器相当。


虽然这项初步工作是基于详细的数学模拟，证明该系统可以在原则上工作，但该团队正在继续努力将其转化为一个可工作的实验室规模设备。他们的计划是首先做一个基本的原理证明实验室测试，然后研究如何优化该系统，使其在真正的病毒诊断应用中发挥作用。


这个多学科的过程需要结合量子物理学工和程学的专业知识来生产探测器本身，以及化学和生物学专业知识来开发与病毒RNA结合的分子，并找到将这些分子粘合到钻石表面的方法。即使准确度相同，这种方法在几分钟内产生结果方面仍有很大优势，而不是需要几个小时。


这种基本方法可以适用于任何病毒，包括可能出现的任何新病毒，只需调整附着在纳米金刚石传感器上的化合物，使其与特定目标病毒的通用材料相匹配即可。