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荧光纳米金刚石（Fluorescent nanodiamonds，FND）中氮空位（nitrogen-vacancy，NV）缺陷的量子自旋特性，不仅在量子计算和通信领域应用广泛，其荧光性能也十分优异，包括高量子产率，无光闪烁或光漂白，高稳定以及低毒性等。在磁场量化、温度传感和生物标记等方向上也存在着广泛的应用。与中性（NV⁰）中心不同，NV^–中心的主要优势在于，其荧光可以通过自旋调控的方式进行选择性调节，从而在高背景环境中实现信号分离。传染病对全球健康构成了巨大挑战，而早期的诊断对于各种传染病有效的治疗和预防至关重要。目前对传染病病毒，如艾滋病病毒（HIV）或是新冠病毒（Covid-19）检测的方法较为繁琐，且需要较长时间。而与妊娠测试相似的纸基侧向流动测试（lateral flow assay, LFA）则是一种便捷的检测方法。其工作方式为将纸的一端浸入样本中，通过颜色（或荧光信号）的变化与否进行诊断。这种方法便捷且迅速，无需在实验室中处理结果。然而，当前基于纳米颗粒的生物传感器的灵敏度仍然欠缺。近日，英国伦敦大学的Benjamin S. Miller等与Rachel A. McKendry课题组合作，将荧光纳米金刚石用作体外诊断的超灵敏标签，并通过微波调节发射强度与频域分析，将信号与背景荧光信号分离，突破了灵敏度的限制。基于该技术的低成本检测试纸，对生物素-亲和素模型的检测极限达到了8.2×10^-19摩尔。在对HIV病毒检测实验中，比传统使用金纳米颗粒的检测灵敏度提高了98000倍。此外，由于HIV病毒相对于抗原和抗体能够更早的被检测到（分别提早7天与16天），因此与现有的基于实验室的核酸检测或即时蛋白检测相比，该技术提供了更早诊断的潜力。除了HIV病毒之外，该技术还适用于SARS-CoV-2病毒，并正在进行新冠病毒的试点。该研究以题为“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”的论文发表在最新一期的《Nature》上。

传统的生物传感检测中，荧光标记物受到来自于样品或试纸条的背景荧光的限制，大大阻碍了对低浓度的RNA或DNA的检测。在该研究中，研究人员主要利用了纳米金刚石中氮空位缺陷的量子特性。这种量子特性允许通过微波场调控的方式，对靶向分子发出的荧光信号进行调节，将信号固定在设定好的频率上，从而将目标荧光信号与背景信号分离，实现低浓度检测。

基于纳米金刚石的侧向流动测试

通过微波对纳米金刚石荧光信号进行调节光学结果表明，与金纳米颗粒相比，基于纳米金刚石的样品灵敏度提高了五个数量级（98000倍）（这意味着生成可检测信号所需的纳米颗粒数量要少得多）。且恒温核酸扩增耗时仅为10分钟（RNA增殖），这使得对艾滋病病毒的单分子检测成为现实。

基于纳米金刚石的侧向流动测试的检测极限第一作者Benjamin S. Miller博士表示，基于纸的测向流动测试避免了繁琐的实验室分析，显著提升了测试便捷性与及时性，同时大大降低了成本，这使得它们在资源贫乏地区特别适用。另一位通讯作者Rachel A. McKendry表示，该技术非常灵活，可以轻松适应其他疾病和生物标记物类型。当下研究团队正在进行该技术在新冠病毒检测方面的研究。Rachel A. McKendry相信，这种变革性的新技术将使患者受益，并保护人们免受传染病的侵害。

目前，该技术已经成功在实验室环境中进行了演示，但是，研究人员希望进行进一步的测试，以便可以使用智能手机或便携式荧光读取器读取结果。这意味着将来可以在资源较少的环境中进行测试，从而更便捷的进行病毒检测。

来源：高分子科学前沿

Abstract

Nanoscale surface texturing, drilling, cutting, and spatial sculpturing, which are essential for applications, including thin-film solar cells, photonic chips, antireflection, wettability, and friction drag reduction, require not only high accuracy in material processing, but also the capability of manufacturing in an atmospheric environment. Widely used focused ion beam (FIB) technology offers nanoscale precision, but is limited by the vacuum-working conditions; therefore, it is not applicable to industrial-scale samples such as ship hulls or biomaterials, e.g., cells and tissues. Here, we report an optical far-field-induced near-field breakdown (O-FIB) approach as an optical version of the conventional FIB technique, which allows direct nanowriting in air. The writing is initiated from nanoholes created by femtosecond-laser-induced multiphoton absorption, and its cutting “knife edge” is sharpened by the far-field-regulated enhancement of the optical near field. A spatial resolution of less than 20 nm (λ/40, with λ being the light wavelength) is readily achieved. O-FIB is empowered by the utilization of simple polarization control of the incident light to steer the nanogroove writing along the designed pattern. The universality of near-field enhancement and localization makes O-FIB applicable to various materials, and enables a large-area printing mode that is superior to conventional FIB processing.