Một cách tiếp cận mới để kiểm tra sự hiện diện của vi-rút gây ra COVID-19 có thể dẫn đến các xét nghiệm nhanh hơn, ít tốn kém hơn và ít có khả năng dẫn đến kết quả sai hơn các phương pháp phát hiện hiện có. Các nhà nghiên cứu cho biết, mặc dù công trình dựa trên hiệu ứng lượng tử vẫn chỉ là lý thuyết, nhưng các máy dò này có khả năng được điều chỉnh để phát hiện hầu như bất kỳ loại virus nào, các nhà nghiên cứu nói.
Cách tiếp cận mới được mô tả trong một bài báo đăng trên tạp chí Nano Letters hôm thứ Năm , bởi Changhao Li, một nghiên cứu sinh tiến sĩ của MIT; Paola Cappellaro, giáo sư khoa học và kỹ thuật hạt nhân và vật lý; và Rouholla Soleyman và Mohammad Kohandel của Đại học Waterloo.
Các xét nghiệm hiện có đối với vi-rút SARS-CoV-2 bao gồm xét nghiệm nhanh phát hiện các protein vi-rút cụ thể và xét nghiệm phản ứng chuỗi polymerase (PCR) mất vài giờ để xử lý. Cả hai xét nghiệm này đều không thể định lượng được lượng vi rút có mặt với độ chính xác cao. Ngay cả các xét nghiệm PCR tiêu chuẩn vàng cũng có thể có tỷ lệ âm tính giả hơn 25%. Ngược lại, phân tích của nhóm cho thấy xét nghiệm mới có thể có tỷ lệ âm tính giả dưới 1%. Các thử nghiệm cũng có thể là đủ nhạy cảm để phát hiện chỉ là một vài trăm sợi của RNA của virus, chỉ trong vòng một giây.
Cách tiếp cận mới sử dụng các khuyết tật ở quy mô nguyên tử trong các mảnh kim cương nhỏ, được gọi là các trung tâm trống nitơ (NV). Những khuyết tật nhỏ bé này cực kỳ nhạy cảm với những nhiễu loạn nhỏ, nhờ các hiệu ứng lượng tử diễn ra trong mạng tinh thể của kim cương, và đang được khám phá cho nhiều loại thiết bị cảm biến đòi hỏi độ nhạy cao.
Phương pháp mới sẽ bao gồm việc phủ các viên kim cương nano chứa các trung tâm NV này bằng một vật liệu được ghép từ tính với chúng và đã được xử lý để chỉ liên kết với chuỗi RNA cụ thể của virus. Khi RNA của virus có mặt và liên kết với vật liệu này, nó sẽ phá vỡ kết nối từ tính và gây ra những thay đổi trong huỳnh quang của viên kim cương mà chúng ta có thể dễ dàng phát hiện bằng cảm biến quang học dựa trên laser.
Các nhà nghiên cứu cho biết, cảm biến này chỉ sử dụng các vật liệu giá rẻ (những viên kim cương có liên quan nhỏ hơn các hạt bụi) và thiết bị có thể được mở rộng để phân tích toàn bộ lô mẫu cùng một lúc, các nhà nghiên cứu cho biết. Lớp phủ dựa trên gadolinium với các phân tử hữu cơ được điều chỉnh bằng RNA của nó có thể được sản xuất bằng cách sử dụng các quy trình và vật liệu hóa học thông thường, và các tia laser được sử dụng để đọc kết quả có thể so sánh với các tia laser màu xanh lá cây thương mại chỉ thị giá rẻ.
Mặc dù công việc ban đầu này dựa trên các mô phỏng toán học chi tiết chứng minh rằng hệ thống có thể hoạt động về nguyên tắc, nhóm vẫn đang tiếp tục làm việc để chuyển nó thành một thiết bị quy mô phòng thí nghiệm đang hoạt động để xác nhận các dự đoán. “Chúng tôi không biết sẽ mất bao lâu để thực hiện cuộc biểu tình cuối cùng,” Li nói. Kế hoạch của họ trước tiên là thực hiện một bài kiểm tra cơ bản trong phòng thí nghiệm bằng chứng nguyên tắc, sau đó tìm cách tối ưu hóa hệ thống để làm cho nó hoạt động trên các ứng dụng chẩn đoán virus thực sự.
Quá trình đa ngành đòi hỏi sự kết hợp của kiến thức chuyên môn trong vật lý lượng tử và kỹ thuật, để sản xuất chính các máy dò, cũng như trong hóa học và sinh học, để phát triển các phân tử liên kết với RNA của virus và để tìm cách liên kết chúng với bề mặt kim cương.
Cappellaro cho biết, ngay cả khi các biến chứng nảy sinh trong việc chuyển phân tích lý thuyết thành một thiết bị làm việc, thì vẫn có một tỷ lệ lớn âm tính giả thấp hơn được dự đoán từ công việc này nên nó có thể vẫn có lợi thế hơn so với các xét nghiệm PCR tiêu chuẩn về mặt đó. Và ngay cả khi độ chính xác là như nhau, phương pháp này vẫn có lợi thế lớn trong việc tạo ra kết quả chỉ trong vài phút, thay vì đòi hỏi vài giờ, cô nói.
Cô nói, phương pháp cơ bản có thể được điều chỉnh với bất kỳ loại virus nào, kể cả những loại virus mới có thể phát sinh, đơn giản bằng cách điều chỉnh các hợp chất được gắn vào cảm biến kim cương nano để phù hợp với vật liệu chung của loại virus mục tiêu cụ thể .
David Glenn, nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Quantum Diamond Technologies Inc., người không liên quan đến công trình này, cho biết: “Phương pháp được đề xuất hấp dẫn cả về tính tổng quát và tính đơn giản về công nghệ của nó. Ông nói: “Đặc biệt, kỹ thuật phát hiện toàn quang học nhạy cảm được mô tả ở đây yêu cầu thiết bị đo đạc tối thiểu so với các phương pháp khác sử dụng các trung tâm trống nitơ,” ông nói.
Anh ấy nói thêm rằng đối với công ty của mình, “chúng tôi rất hào hứng với việc sử dụng các cảm biến lượng tử dựa trên kim cương để xây dựng các công cụ mạnh mẽ cho chẩn đoán y sinh. Không cần phải nói, chúng tôi sẽ rất quan tâm đến phòng thí nghiệm. “
Theo: Phys.
