Các nhà nghiên cứu cho biết, mặc dù công trình dựa trên hiệu ứng lượng tử vẫn chỉ là lý thuyết, nhưng nguyên mẫu thiết bị dò này có khả năng được điều chỉnh để phát hiện hầu như bất kỳ loại virus nào.

Phương thức tiếp cận mới được giới thiệu trong một bài báo ngày 16/12/2021 trên tạp chí Nano Letters do nhóm nhà khoa học Changhao Li, nghiên cứu sinh tiến sĩ của MIT, Paola Cappellaro, GS khoa học và kỹ thuật hạt nhân và vật lý, PTS Rouholla Soleyman và PTS Mohammad Kohandel thuộc Đại học Waterloo.

Sử dụng các mô phỏng toán học, các nhà nghiên cứu của MIT có thể thiết kế một cảm biến trên cơ sở vật lý lượng tử, nhanh chóng phát hiện virus SARS-CoV-2.

Những xét nghiệm hiện có để phát hiện virus SARS-CoV-2 bao gồm xét nghiệm nhanh phát hiện các protein virus cụ thể, xét nghiệm phản ứng chuỗi polymerase (PCR) mất vài giờ để xử lý. Cả hai xét nghiệm này đều không thể định lượng được lượng vi rút hiện diện với độ chính xác cao . 

Ngay cả những xét nghiệm PCR tiêu chuẩn cao cũng có thể có tỷ lệ âm tính giả hơn 25%. Ngược lại, phân tích của nhóm nghiên cứu cho thấy, phương pháp xét nghiệm mới có thể có tỷ lệ âm tính giả dưới 1%. Thử nghiệm đủ nhạy để phát hiện chỉ vài trăm sợi RNA của virus trong vòng một giây.

Nhóm nhà khoa học cho biết, cảm biến mới chỉ sử dụng những vật liệu giá rẻ (những hạt kim cương được sử dụng nhỏ hơn hạt bụi) và thiết bị có thể được mở rộng để phân tích toàn bộ hàng loạt mẫu cùng một lúc.

Phương thức tiếp cận mới sử dụng những khuyết tật quy mô nguyên tử trong các mảnh kim cương nhỏ, được gọi là những trung tâm trống nitơ (NV). Những khuyết tật nhỏ bé này cực kỳ nhạy cảm với các nhiễu loạn nhỏ, sử dụng các hiệu ứng lượng tử diễn ra trong mạng tinh thể của kim cương và đang được nghiên cứu để ứng dụng cho nhiều loại thiết bị cảm biến độ nhạy cao.

Phương pháp mới bao gồm việc phủ các viên kim cương nano, chứa các trung tâm NV này bằng vật liệu, ghép từ tính với các viên kim cương nano và được xử lý để chỉ liên kết với trình tự RNA cụ thể của virus. Khi RNA của virus hiện diện và liên kết với vật liệu này, kết nối từ tính bị phá vỡ và gây ra những thay đổi trong huỳnh quang của viên kim cương, có thể dễ dàng phát hiện nhờ cảm biến quang học trên cơ sở phát xạ laser.

Lớp phủ trên cơ sở gadolinium với các phân tử hữu cơ được điều chỉnh bằng RNA  có thể được sản xuất, sử dụng những quy trình và vật liệu hóa học thông thường, thiết bị phát tia laser, được sử dụng để đọc kết quả tương tự như thiết bị phát tia laser màu xanh lá cây chỉ thị thương mại giá rẻ.

Các nhà nghiên cứu cho biết, cảm biến này chỉ sử dụng các vật liệu giá rẻ (những viên kim cương có liên quan nhỏ hơn các hạt bụi) và thiết bị có thể được mở rộng để phân tích toàn bộ lô mẫu cùng một lúc.

Kết quả nghiên cứu ban đầu thu được trên cơ sở các mô phỏng toán học chi tiết, cho thấy hệ thống có thể hoạt động về nguyên tắc. Nhóm nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu để chuyển ý tưởng thành thiết bị quy mô phòng thí nghiệm để xác nhận những dự đoán.

Theo PGS Li, kế hoạch của nhóm trước tiên là thực hiện thử nghiệm cơ bản trong phòng thí nghiệm để xác minh kết quả thực tế, sau đó tối ưu hóa hệ thống để đưa vào những ứng dụng chẩn đoán virus.

Quá trình phát triển ý tưởng đòi hỏi sự kết hợp của kiến ​​thức chuyên môn trong vật lý lượng tử và kỹ thuật cơ khí chính xác để sản xuất thiết bị dò, hóa học và sinh học để phát triển các phân tử liên kết với RNA của virus và tìm phương pháp liên kết RNA với bề mặt kim cương.

Theo GS Cappellaro, khi chuyển những tính toán lý thuyết thành một thiết bị làm việc, vẫn có một tỷ lệ lớn âm tính giả thấp hơn được dự đoán từ thiết bị mới, có lợi thế hơn so với những xét nghiệm PCR tiêu chuẩn. Ngay cả khi độ chính xác tương đương, phương pháp này hiệu quả hơn do cho kết quả chỉ trong vài phút, thay vì đòi hỏi vài giờ.

Hơn thế nữa, phương pháp này cơ bản có thể được điều chỉnh với bất kỳ loại virus nào, bao gồm cả những loại virú mới, chỉ đơn giản là điều chỉnh các hợp chất, gắn vào cảm biến kim cương nano phù hợp với RNA của virus cụ thể.