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나노기술 및 정책 정보

EU 양자 나노 다이아몬드를 이용한 질병의 조기 발견

페이지 정보

발행기관
Phys.org
저자
 
종류
R&D
나노기술분류
 
발행일
2020-11-25
조회
2,561

본문

영국의 유니버시티 칼리지 런던대학교(University College London) 연구팀이 나노 다이아몬드의 양자 감지 능력은 종이 기반 진단 테스트의 민감도를 향상시키는 데 사용될 수 있으며, 잠재적으로 HIV와 같은 질병의 조기 발견이 가능함을 보여줌. 종이 기반의 측면 흐름 테스트는 종이 조각이 유체 샘플에 담겨져 있고 색상 (또는 형광 신호)의 변화가 양성 결과와 바이러스 단백질 또는 DNA의 검출을 표시한다는 점에서 임신 테스트와 동일한 방식으로 작동함. 그들은 HIV에서 SARS-CoV-2에 이르는 바이러스를 탐지하는 데 널리 사용되며 (Covid-19에 대한 측면 흐름 테스트는 현재 영국 전역에서 시범 진행되고 있음) 결과를 실험실에서 처리할 필요가 없기 때문에 신속한 진단을 제공할 수 있음. 발표된 새로운 연구는 저가 나노 다이아몬드가 이러한 테스트에 널리 사용되는 금 나노입자보다 수천 배 더 높은 감도를 가진 HIV 질병 마커의 존재를 알리는 데 사용될 수 있음을 발견했음. 이처럼 민감도가 높아지면 바이러스가 더 적어도 검출 될 수 있음. 즉, 검사가 더 낮은 수준의 질병을 포착하거나 초기 단계에서 질병을 감지 할 수 있으며, 이는 감염된 개인의 전염 위험을 줄이고 HIV와 같은 질병의 효과적인 치료에 중요함.

연구팀은 앞으로 몇 달 동안 COVID-19 및 기타 질병을 테스트하기 위해 새로운 기술을 적용하기 위해 노력할 것임. 다음 단계의 핵심은 결과를 "읽을" 수 있는 휴대용 장치를 개발하는 것임. 이 기술은 현재 실험실에서 현미경을 사용하여 시연되었음. 나아가 임상 평가 연구도 계획되어 있음. 연구팀의 개념 증명 연구는 양자 기술을 사용하여 환자 샘플에서 초저 수준의 바이러스를 검출하는 방법을 보여주어, 훨씬 더 이른 진단을 할 수 있음을 입증하는 것이었음. 연구팀은 HIV 검출에 중점을 두었지만 이 접근 방식은 매우 유연하고 다른 질병 및 바이오 마커 유형에 쉽게 적용 할 수 있음. 연구팀은 COVID-19에 대한 접근 방식을 얻기 위해 노력하고 있음.

연구팀은 정밀한 결함으로 제조된 나노 다이아몬드의 양자 특성을 사용했음. 다이아몬드의 매우 규칙적인 구조의 이러한 결함은 질소-공극 (NV) 센터라고 하는 것을 만들었음. NV 센터는 초고감도 이미징에 사용되는 형광 바이오 마킹부터 양자 컴퓨팅의 정보 처리 큐비트에 이르기까지 많은 잠재적인 응용 분야를 가지고 있음. NV 센터는 밝은 형광등을 방출하여 항원 또는 다른 표적 분자의 존재를 알릴 수 있음. 과거에는 형광 마커가 샘플 또는 테스트 스트립의 배경 형광에 의해 제한되었기 때문에 양성 테스트를 나타내는 낮은 농도의 바이러스 단백질 또는 DNA를 감지하기가 더 어려웠음. 그러나 형광 나노 다이아몬드의 양자 특성은 방출을 선택적으로 변조할 수 있음. 즉, 신호가 마이크로 파장을 사용하여 설정된 주파수로 고정될 수 있고 배경 형광에서 효율적으로 분리될 수 있어 이러한 한계를 해결함. 광학 결과는 금 나노입자에 비해 감도가 최대 100,000 배 개선된 것으로 나타났음(즉, 감지 가능한 신호를 생성하는 데 훨씬 적은 수의 나노입자가 필요했음). RNA의 복제본을 증식시키는 10 분의 짧은 항온 증폭 단계를 포함하여 연구자들은 모델 샘플에서 단일 분자 수준에서 HIV RNA를 검출할 수 있었음. 작업은 실험실 환경에서 시연되었지만 팀은 결과를 스마트폰이나 휴대용 형광 판독기로 읽을 수 있도록 테스트를 개발하기를 희망함. 이는 나중에 리소스가 부족한 상태에서 테스트를 수행하여 사용자가 더 쉽게 액세스할 수 있음을 의미함. 금 나노입자를 사용한 종이 기반 측면 흐름 테스트는 실험실 분석이 필요하지 않아 특히 낮은 자원 상태에서 유용함. 의료 서비스에 대한 접근이 제한되어 있으며 비용이 저렴하고 휴대 가능하며 사용자 친화적임. 그러나 이러한 테스트는 현재 매우 낮은 수준의 바이오 마커를 감지할 수 있는 감도가 부족함. 이 새로운 디자인에서 일반적으로 사용되는 금 나노입자를 형광 나노 다이아몬드로 대체하고 빛의 (이미 밝은) 방출을 선택적으로 조절함으로써 신호를 받아 테스트 스트립의 원치 않는 배경 형광으로부터 이들을 분리할 수 있어 감도가 크게 향상됨.

본 연구 성과는 ‘Nature’ (“Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics”) 지에 게재됨