Чувствительная и количественная биосенсорная методика на основе НВ-центров в легированных нанодаймондс, применяемая к анализам бокового потока

Почему важен новый тип экспресс‑теста

Тесты бокового потока — привычные полосочные тесты, используемые при COVID‑19 и при определении беременности — дешёвы, быстры и просты в применении, но им трудно обнаруживать очень малые количества маркёров заболевания и давать точные числовые результаты. В этой статье предложен новый способ считывания таких тестов с помощью крошечных алмазов, которые светятся особым образом, превращая простые бумажные полоски в гораздо более чувствительные и количественные диагностические приборы, пригодные для клиник, машин скорой помощи или удалённых районов.

От простых полосок к более умному обнаружению

Стандартные анализы бокового потока полагаются на цветные частицы, часто из золота или латекса, которые связываются с целевой молекулой и образуют видимую линию на полоске. Это удобно, но изменение цвета грубое: бледные линии трудно интерпретировать, а фоновые источники света и материалы полоски могут скрывать слабые сигналы. Авторы рассматривают альтернативную метку: нанодаймонды, содержащие центры азот‑вакансия (NV), крошечные дефекты в кристалле алмаза, которые сильно флуоресцируют при возбуждении зелёным светом. Эти наночастицы с NV можно покрывать антителами, чтобы они прикреплялись к специфическим биомаркёрам так же, как существующие метки, но их оптические свойства позволяют добиться гораздо более точного обнаружения.

Выделение алмазных меток на фоне помех

В типичном полосочном тесте полезный свет от меток смешивается с нежелательной флуоресценцией и рассеянием от пластика, бумаги и биологического материала. Новаторский приём здесь — заставить сигнал нанодаймондов «моргануть» управляемым образом с помощью небольшого переменного магнитного поля. NV‑центры испускают красный свет около 650 нм при возбуждении зелёным лазером, и их яркость слегка падает при приложении умеренного магнитного поля. Путём включения и выключения этого поля с частотой 60 Гц флуоресценция нанодаймондов мерцает на известной частоте, в то время как фоновый свет остаётся по существу постоянным. Схема синхронного (lock‑in) детектирования затем выделяет именно эту мерцающую компоненту, резко повышая отношение сигнал/шум и превращая шумное свечение в чистое, количественно измеримое значение вдоль полоски.

Доказательство концепции на онкомаркёрах

Чтобы показать работоспособность подхода в реалистичных условиях, исследователи создали считыватель на основе NV‑центров и применили его для определения карциноэмбрионального антигена (CEA), маркёра в крови, используемого при диагностике и мониторинге некоторых видов рака. Они оптимизировали материалы полоски, состав буфера, размер нанодаймондов и покрытие антителами, чтобы максимизировать специфическое связывание на тестовой линии и минимизировать неспецифическое прилипание в других местах. С этой настройкой они измеряли флуоресценцию нанодаймондов на тестовой линии при концентрациях CEA от пикограммов до микрограммов на миллилитр. Полученная калибровочная кривая соответствовала ожидаемой форме для медицинской диагностики и дала предел обнаружения около 0,2 нанограмма на миллилитр и диапазон количественного определения более чем на два порядка величины, всё это без изменения условий теста. Это демонстрирует, что алмазные метки могут поддерживать как очень низкие пороги обнаружения, так и точные числовые считывания.

Сравнение алмазов с обычными метками

Помимо одного онкомаркёра, команда проверила, смогут ли нанодаймонды превзойти метки, уже используемые в коммерческих или продвинутых тестах. В сотрудничестве с промышленным партнёром они провели очное сравнение на рыбном белке (VHS/G57), используя несколько стандартных меток: латексные частицы, целлюлозные частицы, флуоресцентные наночастицы на основе европия и углеродные нанотрубки с флуоресцентными красителями. Все тесты использовали одинаковый формат полоски, мембраны, антитела и условия проведения, и каждая метка применялась в собственных оптимизированных настройках. Нанодаймонды показали наименьший предел обнаружения (примерно 80 нанограмм на миллилитр) и самый широкий диапазон количественного определения, превосходя как традиционные цветовые метки, так и современные флуоресцентные частицы на основе европия в этих согласованных условиях. Простые физические оценки числа полезных фотонов, которые может излучать каждая метка, подтверждают экспериментальное наблюдение, что NV‑центры могут быть по своей сути более чувствительными, потенциально до тысячи раз по сравнению с европием в идеальных сценариях.

Практические преимущества и перспективы применения

Помимо чистой чувствительности, нанодаймонды с NV‑центрами предлагают практические преимущества. Их флуоресценция стабильна, не выгорает при освещении и относительно нечувствительна к температуре, что делает считывание надёжным вне контролируемой лабораторной среды. Наночастицы алмаза можно синтезировать в лаборатории в диапазоне размеров, их поверхности легко химически модифицировать под разные мишени, и им не требуется прикреплять отдельный флуорофор. Авторы начали проектировать компактный «push‑button» считыватель, который сочетает низкоспособный лазер, детектор, электромагнит и сканер полосок в устройстве, себестоимость которого предполагается сопоставимой с существующими количественными считывателями для быстрых тестов. Хотя необходимы дополнительные работы — включая ускорение миграции нанодаймондов по полоскам, более крупные статистические исследования и испытания на более клинически значимых биомаркёрах — это исследование указывает на то, что светящиеся нанодаймонды могут превратить повседневные тесты бокового потока в мощные и точные диагностические инструменты для онкологии, инфекционных заболеваний и экологического мониторинга.

Цитирование: Vindolet, B., Sallem, F., Perré, A. et al. Sensitive and quantitative biosensing technique based on NV centres-doped nanodiamonds applied to lateral flow assays. Sci Rep 16, 7125 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37454-6

Ключевые слова: анализ бокового потока, нанодаймонд, биосенсор, онкомаркер, флуоресцентное детектирование