量子增强纳米金刚石侧流检测技术突破SARS-CoV-2抗原早期临床诊断瓶颈

本研究针对现有SARS-CoV-2抗原检测灵敏度不足的临床难题，开发了基于氮空位色心纳米金刚石（FND）的自旋增强侧流检测技术。通过量子调控荧光信号消除背景干扰，实现对重组核衣壳蛋白17 fM（0.78 pg/mL）的超敏检测，临床样本验证显示Ct≤30时灵敏度达95.1%、特异性100%，平均较金纳米颗粒检测提早2.0天发现感染，为传染病早期诊断提供新范式。

全球新冠疫情凸显了高灵敏度快速诊断技术的迫切需求。尽管核酸扩增检测（如RT-qPCR）因其高灵敏度成为金标准，但其检测成本高、耗时长且需要专业实验室，难以满足大规模现场筛查需求。抗原侧流检测（Ag-LFT）虽具备快速、低成本优势，但普遍存在灵敏度不足的缺陷，尤其在病毒载量较低（Ct值>25）的样本中易漏检，导致错失感染早期干预窗口。传统荧光标记材料还存在光漂白、闪烁及背景自发荧光干扰等问题。

为此，伦敦大学学院研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，利用氮空位色心（NV center）纳米金刚石（FND）的量子传感特性，开发了自旋增强型侧流检测技术。该技术通过调控自旋依赖的荧光发射特性，有效消除硝化纤维素膜背景干扰，实现了对SARS-CoV-2抗原的超高灵敏度检测。

研究采用多学科交叉技术方法：通过生物层干涉技术（Biolayer Interferometry）筛选高亲和力抗体对；利用600 nm聚甘油涂层FND与抗体共轭构建检测探针；结合锁相放大技术（lock-in modulation）解析荧光信号；采用盲法临床验证与RT-qPCR对照，使用103例上呼吸道拭子样本（包括53例阳性样本）评估性能；基于人类挑战试验数据建立病毒载量动力学模型量化诊断优势。

自旋增强荧光纳米金刚石表征

研究选用600 nm FND颗粒，其NV中心在室温下保持自旋相干性，通过绿色光（550 nm）激发可产生675 nm荧光发射。关键创新在于利用光学检测磁共振（ODMR）技术：通过施加2.87 GHz微波驱动场调控ms=0与ms=±1态间自旋布居转移，使荧光强度产生2.6%的可控衰减，从而实现特异性信号调制。FND发射光谱位于生物自发荧光背景较弱的红光区，为生物传感提供理想光学窗口。

SARS-CoV-2抗原检测的FND侧流检测设计

通过系统性筛选商业化抗体对，确定AbMM08（检测抗体）与AbRO01（捕获抗体）组合具有最高结合亲和力（K_D=0.19 nM）。采用生物素-聚链霉亲和素体系将抗体消耗量降低84.6%。缓冲体系优化中添加0.8%酪蛋白和0.05% Tween20提升信噪比，IGEPAL CA-630作为病毒裂解剂。

自旋增强FND与金纳米颗粒的分析灵敏度对比

对重组核衣壳蛋白的检测显示，FND检测限达17 fM（95% CI: 5.9-41），较相同抗体的金纳米颗粒检测（16 pM）提升1000倍。对灭活全病毒检测显示，对野生株和奥密克戎株的检测限分别为13 TCID₅₀/mL和8.8 TCID₅₀/mL。特异性验证表明与MERS-CoV、HCoV-OC43等常见冠状病毒无交叉反应。

盲法临床样本验证与RT-qPCR对比

103例临床样本验证显示：Ct≤25时灵敏度100%，Ct≤30时达95.1%，总体灵敏度86.8%（Ct 17-37），特异性100%。病毒载量≥10⁴ copies/mL样本全部检出，且与流感A、RSV等呼吸道病毒无交叉反应。基于人类挑战试验数据建模表明，FND检测较金纳米颗粒平均早2.0天（95% CI: 1.8-2.1）检出感染，95%患者可在感染后3.5天内被检出（金纳米颗粒需6.2天）。在症状出现首日，FND可多检测2.2倍患者。

诊断优势的群体级影响分析

扩展至338例临床症状队列数据显示：症状出现首日FND检测率较金纳米颗粒提高117%（2.2倍），次日提高57%。推算在英国奥密克戎疫情高峰期间，单日可多检出69,400例感染者。

研究结论表明，自旋增强FND技术成功将量子传感优势转化为临床诊断应用，解决了抗原检测在低病毒载量样本中的灵敏度瓶颈。其检测性能媲美高端数字化生物标志物检测平台（如Quanterix Simoa），但成本大幅降低（每检测条约1.3英镑）。该技术平台具有靶标通用性，未来可拓展至流感、HIV等传染病的早期诊断，以及非传染性疾病生物标志物检测领域。讨论部分强调，需进一步标准化抗原检测灵敏度与传染性病毒载量的关联准则，并通过微型化光学读装置推动在资源有限场景的应用。