基于掺杂NV中心纳米金刚石的灵敏定量生物传感技术在侧向流动测定中的应用

为何需要新型快速检测

侧向流动测试——人们熟悉的用于COVID-19和妊娠检测的试纸条——成本低、速度快且易于使用，但它们难以检测极低浓度的疾病标志物，也难以给出精确的数值结果。本文提出了一种新的读取方法，利用在特殊条件下发光的微小金刚石，将简单的纸质试纸条变为更灵敏且可定量的诊断工具，能在诊所、救护车甚至偏远地区使用。

从简单试纸到更智能的传感

标准的侧向流动测定依赖有色颗粒，通常为金或乳胶制成，它们会粘附到目标分子并在试纸上形成可见的线条。尽管这种方法方便，但颜色变化较为粗糙：淡线难以判读，条带中的背景光和材料会掩盖微弱信号。作者们探索了另一种标记物：含有氮空位（NV）中心的纳米金刚石，这些晶体缺陷在绿色光照射下会强烈荧光。NV掺杂纳米金刚石可以用抗体包被，从而像现有标记物一样特异性结合生物标志物，但其光学特性允许更精确的检测。

让金刚石标记在噪声中脱颖而出

在典型的试纸检测中，来自标记物的有用光会与来自塑料、纸张和生物材料的杂散荧光和散射混合。这里的创新是对纳米金刚石信号施加受控的“闪烁”——通过一个小的振荡磁场实现。NV中心在绿色激光照射下发出约650 nm的红光，当施加适度磁场时其亮度会略有下降。通过以60 Hz的频率开关该磁场，纳米金刚石荧光以已知频率闪烁，而背景光则基本保持恒定。随后使用锁相检测方案仅提取这种闪烁分量，大幅提高信噪比，将嘈杂的微光转化为在试纸上可清晰、可定量的测量值。

用癌症标志物验证概念

为证明该方法在现实条件下可行，研究人员构建了基于NV的读取器，并用于检测癌胚抗原（CEA），这是一种用于某些癌症诊断与监测的血液标志物。他们优化了试纸材料、缓冲液配方、纳米金刚石尺寸和抗体包被，以最大化测试线上的特异性结合并最小化其它位置的非特异吸附。在该配置下，他们测量了测试线处不同浓度范围（从皮克克级到微克每毫升）的CEA对应的纳米金刚石荧光。得到的校准曲线符合医学诊断预期，检测限约为0.2纳克/毫升，定量范围覆盖超过两个数量级，同时无需改变测试条件。这表明金刚石标记既能实现极低的检测阈值，又能提供准确的数值读数。

金刚石与常用标记的比较

研究团队还探讨了纳米金刚石能否超越商业或先进检测中已有的标记物。与一家工业合作伙伴合作，他们在一种鱼类蛋白（VHS/G57）上进行了正面比较，测试了多种常规标记：乳胶颗粒、纤维素颗粒、基于铕的荧光纳米颗粒以及携带荧光染料的碳纳米管。所有测试使用相同的试纸格式、膜、抗体和运行条件，每种标记在其优化设置下进行比较。纳米金刚石获得了最低的检测限（约80纳克/毫升）和最宽的定量范围，在这些匹配条件下优于传统的颜色标记和先进的铕荧光颗粒。对各类标记可产生的有效光子数进行的简单物理计算也支持实验结论：在理想情形下，NV中心的灵敏度相较于铕可能高出多达数千倍。

实用优势与未来应用

除了原始的灵敏度外，NV掺杂纳米金刚石还具有实用优势。它们的荧光稳定、不易光漂白且对温度相对不敏感，使读数在非受控实验室环境中也能保持稳健。金刚石纳米颗粒可在实验室中合成为多种尺寸，表面易于化学改性以针对不同靶标，而且不需要额外连接荧光团。作者们已开始开发一款紧凑的按键式读取器，集成低功率激光、探测器、电磁铁和试纸扫描器，预计成本与现有定量快速测试读取器相当。尽管还需进一步工作——包括加快纳米金刚石在试纸上的迁移、更大规模的统计研究以及对更多临床相关生物标志物的试验——本研究表明，发光纳米金刚石有望将日常侧向流动试验转变为用于癌症、传染病和环境监测的强大且精确的诊断工具。

引用: 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

关键词: 侧向流动测定, 纳米金刚石, 生物传感器, 癌症生物标志物, 荧光检测