Känslig och kvantitativ biosensorteknik baserad på NV‑centra‑dopade nanodiamanter tillämpad på lateralflödesanalyser

Varför en ny typ av snabbtest är viktig

Lateralflödestester — de välkända sticktesterna som används för COVID‑19 och graviditet — är billiga, snabba och lätta att använda, men de har svårt att mäta mycket små mängder av sjukdomsmarkörer och att ge precisa, numeriska resultat. Denna artikel presenterar ett nytt sätt att avläsa sådana tester med hjälp av små diamanter som lyser på ett särskilt sätt, vilket förvandlar enkla pappersremsor till betydligt känsligare och kvantitativa diagnostiska verktyg som kan fungera på kliniker, i ambulanser eller även i avlägsna områden.

Från enkla remsor till smartare avläsning

Standard lateralflödesanalyser förlitar sig på färgade partiklar, ofta gjorda av guld eller latex, som binder till ett målämne och bildar en synlig linje på en remsa. Det är praktiskt, men färgförändringen är grov: svaga linjer är svåra att tolka och bakgrundsljus och material i remsan kan dölja svaga signaler. Författarna undersöker en annan markör: nanodiamanter innehållande kväve‑vakanser (NV), små defekter i diamantkristallen som fluorescerar starkt när de belyses med grönt ljus. Dessa NV‑dopade nanodiamanter kan beläggas med antikroppar så att de fäster vid specifika biomarkörer likt befintliga markörer, men deras optiska egenskaper möjliggör mycket mer precis detektion.

Få diamanterna att framträda ur bruset

I ett typiskt remsprov blandas nyttigt ljus från markörerna med oönskad fluorescens och spridning från plast, papper och biologiskt material. Nytänkandet här är att få nanodiamantsignalen att ”blinka” på ett kontrollerat sätt med ett litet oscillerande magnetfält. NV‑centra avger rött ljus kring 650 nm under grön laserbelysning, och deras ljusstyrka sjunker något när ett måttligt magnetfält appliceras. Genom att slå detta fält av och på vid 60 Hz flimrar nanodiamantens fluorescens med en känd frekvens, medan bakgrundsljuset förblir i stort sett konstant. En lås‑in‑detektionsmetod isolerar sedan just denna flimrande komponent, vilket dramatiskt förbättrar signal‑till‑brus‑förhållandet och förvandlar ett brusigt skimmer till en ren, kvantitativ mätning längs remsan.

Bevisa konceptet med cancermarkörer

För att visa att detta förhållningssätt fungerar i realistiska förhållanden byggde forskarna en NV‑baserad avläsare och använde den för att upptäcka carcinoembryonalt antigen (CEA), en blodmarkör som används vid diagnos och uppföljning av vissa cancerformer. De optimerade remsornas material, buffertkemi, nanodiamantstorlek och antikroppsbeläggning för att maximera specifik bindning på testlinjen samtidigt som de minimerade ospecifik vidhäftning andra ställen. Med denna uppställning mätte de nanodiamantfluorescensen på testlinjen för CEA‑koncentrationer som sträckte sig från pikogram till mikrogram per milliliter. Den resulterande kalibreringskurvan följde det förväntade diagnostiska beteendet och gav en detektionsgräns runt 0,2 nanogram per milliliter samt ett kvantifieringsintervall som spände över mer än två storleksordningar, allt utan att ändra testförhållanden. Detta visar att diamantmarkörerna kan stödja både mycket låga detektionsgränser och noggranna numeriska avläsningar.

Hur diamanter står sig mot vanliga markörer

Utöver en enskild cancermarkör frågade teamet om nanodiamanter kunde prestera bättre än de markörer som redan används i kommersiella eller avancerade tester. I samarbete med en industrial partner genomförde de en huvud‑mot‑huvud‑jämförelse på ett fiskprotein (VHS/G57) med flera standardmarkörer: latexpartiklar, cellulosa­partiklar, europium‑baserade fluorescerande nanopartiklar och kolnanorör som bar fluorescerande färgämnen. Alla tester hade samma remsformat, membran, antikroppar och körförhållanden, och varje markör användes under sina egna optimerade inställningar. Nanodiamanter uppnådde den lägsta detektionsgränsen (cirka 80 nanogram per milliliter) och det bredaste kvantifieringsintervallet, och överträffade både traditionella färgmarkörer och toppmoderna europiumpartiklar under dessa matchade förhållanden. Enkla fysiska beräkningar av hur många användbara fotoner varje markör kan producera stöder det experimentella fyndet att NV‑centra kan vara intrinsikt mer känsliga, potentiellt upp till tusenfalt jämfört med europium i idealiska scenarier.

Praktiska fördelar och framtida användningsområden

Utöver ren känslighet erbjuder NV‑dopade nanodiamanter praktiska fördelar. Deras fluorescens är stabil, bleknar inte under ljus och är relativt okänslig för temperatur, vilket gör avläsningen robust utanför kontrollerade laboratoriemiljöer. Diamantnanopartiklar kan syntetiseras i labbet i olika storlekar, med ytor som är lätta att kemiskt modifiera för olika mål, och de kräver inte att en separat fluorofor fästs. Författarna har påbörjat konstruktionen av en kompakt, knapptrycks‑avläsare som kombinerar en låg‑effektslaser, en detektor, en elektromagnet och en remsskanner i en enhet vars beräknade kostnad liknar befintliga kvantitativa snabbtestavläsare. Även om ytterligare arbete behövs — inklusive snabbare nanodiamantmigration på remsor, större statistiska studier och prövningar på fler kliniskt relevanta biomarkörer — tyder denna studie på att lysande nanodiamanter kan göra vardagliga lateralflödestester till kraftfulla, precisa diagnostiska verktyg för cancer, infektionssjukdomar och miljöövervakning.

Citering: 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

Nyckelord: lateralflödesanalys, nanodiamant, biosensor, cancermarkör, fluorescensdetektion