حسگر مبتنی بر فیزیک کوانتومی می تواند ویروس SARS-CoV-2 را شناسایی کند

به گزارش پایگاه اطلاع رسانی ایران رصد به نقل از MITنیوز کار، بر اساس اثرات کوانتومی به عنوان یک رویکرد جدید برای آزمایش وجود ویروس کووید-۱۹ سریع‌تر، کم‌هزینه‌تر و به طور بالقوه کمتر در معرض نتایج اشتباه نسبت به روش‌های تشخیص موجود می تواند باشد. به گفته محققان اگرچه کار، بر اساس اثرات کوانتومی، هنوز در حد تئوری میباشد اما این آشکارسازهامی توانند به طور بالقوه برای شناسایی هر ویروسی سازگار شوند.

این رویکرد در مقاله‌ای که روز پنجشنبه در مجله Nano Letters توسط Changhao Li، دانشجوی دکترای MIT منتشر شد، توضیح داده شده است. پائولا کاپلارو، استاد علوم و مهندسی هسته ای و فیزیک؛ و روح الله سلیمان و محمد کهندل از دانشگاه واترلو محققان این مقاله هستند.

آزمایش‌های موجود برای ویروس SARS-CoV-2

در حال حاضر آزمایش‌های موجود برای ویروس SARS-CoV-2 شامل آزمایش‌های سریعی که پروتئین‌های ویروسی خاص را شناسایی می‌کندو آزمایش‌های واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) که چندین ساعت طول می‌کشد تا پردازش شوند می باشد. هیچ یک از این آزمایش ها نمی توانند مقدار ویروس موجود را با دقت بالا تعیین کنند. حتی تست‌های PCR استاندارد طلایی ممکن است دارای نرخ منفی کاذب بیش از ۲۵ درصد باشند. در مقابل، تجزیه و تحلیل تیم نشان می‌دهد که آزمایش جدید می‌تواند نرخ منفی کاذب زیر ۱ درصد داشته باشد. این آزمایش همچنین می‌تواند آنقدر حساس باشد که فقط چند صد رشته از RNA ویروسی را در عرض یک ثانیه تشخیص دهد.

روش کار رویکرد کوانتومی

رویکرد جدید از نقایص مقیاس اتمی در تکه‌های ریز الماس که به مراکز خالی نیتروژن (NV) معروف هستند، استفاده می‌کند. این نقص‌های کوچک به لطف اثرات کوانتومی که در شبکه کریستالی الماس رخ می‌دهد، به نوسانات کوچک بسیار حساس هستند. و برای طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های سنجش که نیاز به حساسیت بالایی دارند، مورد بررسی قرار می‌گیرند.

روش جدید شامل پوشاندن نانوالماس‌های حاوی این مراکز NV با ماده‌ای است که به صورت مغناطیسی با آن‌ها جفت شده و تنها با توالی RNA خاص ویروس پیوند می‌یابد. هنگامی که RNA ویروس وجود دارد. و به این ماده متصل می شود، اتصال مغناطیسی را مختل می کند و باعث ایجاد تغییراتی در فلورسانس الماس می شود که به راحتی با یک حسگر نوری مبتنی بر لیزر قابل تشخیص است.

به گفته محققان، این حسگر تنها از مواد ارزان قیمت استفاده می کند (الماس های درگیر کوچکتر از ذرات گرد و غبار هستند). این دستگاه ها را می توان برای تجزیه و تحلیل یک دسته کامل از نمونه ها به طور همزمان توسعه داد. پوشش مبتنی بر گادولینیوم با مولکول‌های آلی تنظیم‌شده با RNA را می‌توان با استفاده از فرآیندها و مواد شیمیایی رایج تولید کرد. و لیزرهایی که برای خواندن نتایج استفاده می‌شوند با نشانگرهای لیزر سبز تجاری ارزان و گسترده قابل مقایسه هستند.

اصول اولیه رویکرد کوانتومی

در حالی که این کار اولیه مبتنی بر شبیه‌سازی‌های ریاضی دقیق بود که ثابت کرد سیستم می‌تواند اصولاً کار کند، تیم به کار بر روی ترجمه آن به یک دستگاه در مقیاس آزمایشگاهی برای تأیید پیش‌بینی‌ها ادامه می‌دهد. لی می گوید: «ما نمی دانیم چه مدت طول می کشد تا ازمایشات نهایی را انجام دهیم. برنامه آنها ابتدا انجام یک آزمایش آزمایشگاهی اثبات اصول اولیه و سپس کار بر روی روش هایی برای بهینه سازی سیستم برای کارکرد آن بر روی برنامه های کاربردی تشخیص ویروس واقعی است.

فرآیند چند رشته‌ای به ترکیبی از تخصص در فیزیک و مهندسی کوانتوم، برای تولید خود آشکارسازها، و در شیمی و زیست‌شناسی، برای توسعه مولکول‌هایی که با RNA ویروسی متصل می‌شوند و یافتن راه‌هایی برای پیوند آنها با سطوح الماس نیاز دارد.

کاپلارو می‌گوید حتی اگر در ترجمه تحلیل نظری به یک دستگاه کار پیچیدگی‌هایی ایجاد شود، آنقدر حاشیه بزرگی از منفی‌های کاذب کمتر پیش‌بینی شده از این کار وجود دارد که احتمالاً همچنان برتری قوی نسبت به آزمایش‌های PCR استاندارد در این زمینه خواهد داشت. او می گوید و حتی اگر دقت یکسان باشد، این روش همچنان مزیت بزرگی در تولید نتایج خود در چند دقیقه خواهد داشت، نه اینکه چندین ساعت نیاز داشته باشد.

او می‌گوید که روش اصلی را می‌توان با هر ویروسی، از جمله هر ویروس جدیدی که ممکن است ایجاد شود، تطبیق داد.