DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37454-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634092
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Baptiste Vindolet وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث المواد القائمة على الألماس والكربون
نظرة عامة
تقدم هذه الورقة البحثية تقنية جديدة للكشف عن العلامات الحيوية باستخدام مراكز الفجوة النيتروجينية (NV) في الألماس، وتطبق بشكل خاص على اختبارات التدفق الجانبي (LFA) من خلال الألماس النانوي (ND) المضاف إليه NV كعلامات. تظهر الدراسة أن مراكز NV توفر قدرات كشف حساسة وكمية، مما يعزز فوائد LFA التقليدية من حيث السرعة والبساطة والتكلفة المنخفضة. يمكن لـ LFA المعتمد على NV الكشف عن العلامات الحيوية عبر نطاق واسع، من البيكوجرامات لكل مليلتر (pg/mL) إلى المليغرامات لكل مليلتر (mg/mL)، مما يجعله مناسبًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات في التشخيصات الطبية الحيوية، والمنتجات الزراعية الغذائية، والسموم البيئية.
تشير النتائج إلى أن علامات ND المضافة إليها NV يمكن أن تكون وسيلة مكملة لـ LFAs المعززة الحالية، مما يوفر حساسية وموثوقية محسنتين. من خلال التجارب المقارنة، تسلط الدراسة الضوء على مزايا استخدام علامات ND، بما في ذلك قدرات الكشف المحسنة والعملية. ومع ذلك، تحدد أيضًا مجالات لمزيد من البحث، مثل إجراء دراسات إحصائية أكبر، وتحسين أوقات هجرة ND، وتطوير قارئ LFA محمول يعتمد على NV. كما يتم مناقشة إمكانية استخدام ND المضاف إليها NV في طرق تشخيصية أخرى، مثل تحليل تدفق الخلايا وPCR، مما يشير إلى أن هذه التقنية يمكن أن تقدم تقدمًا كبيرًا في تشخيصات النقاط السريرية من خلال توفير قياسات أكثر حساسية وكمية.
طرق
في هذا القسم، يتم تفصيل المنهجية لتحسين معلمات اختبار التدفق الجانبي (LFA)، مع التركيز على الكشف عن مستضد سرطان CEA بتركيز 100 نانوغرام/مل. تتضمن عملية التحسين هجرة عينة سائلة على طول شريط بعد وضع تركيز ثابت من العلامة الحيوية المستهدفة. تؤكد الدراسة أن المعلمات المحسنة محددة لكشف CEA وستتطلب إعادة تحسين لعلامات حيوية أخرى. ومع ذلك، فإن البروتوكول الذي تم إنشاؤه يعمل كإطار أساسي لاختيار المعلمات لأهداف مختلفة.
تشمل أهداف التحسين زيادة إشارة الفلورسنت المحددة من الجسيمات النانوية (ND) في خط الاختبار (TL) مع تقليل الإشارة غير المحددة، التي تنشأ من ND الموزعة عبر غشاء النيتروسيليلوز خارج TL وخط التحكم (CL). تقيم الدراسة معلمات مختلفة، بما في ذلك أنواع أغشية النيتروسيليلوز، وسادات الربط، وكتلة الأجسام المضادة الملتقطة (CAb)، وتركيبات الأجسام المضادة للكشف (DAb)، وحجم ND، وكتلة ND، ومعدلات الربط لـ DAb على ND، وتركيب محلول الهجرة. يتم تسليط الضوء على القيم المثلى لكل معلمة، مع اختيارات محددة تم اتخاذها للدراسة: غشاء HF120+، 2 ميكروغرام من CAb، حجم ND 100 نانومتر، كتلة ND 350 نانوغرام، ومعدل ربط 600 DAb لكل ND.
مناقشة
ت outlines قسم المناقشة تطبيق مراكز الفجوة النيتروجينية (NV) في الألماس النانوي (ND) لتعزيز حساسية وموثوقية اختبارات التدفق الجانبي (LFA). يعمل LFA على تنسيق السندويتش حيث يتم تفعيل الأجسام المضادة للكشف (DAb) على علامات ND لربط المحللات المحددة. تتضمن العملية هجرة عينة على طول غشاء النيتروسيليلوز، حيث تشكل DAb معقدات مع المحللات المستهدفة، مما يسمح بالكشف البصري عن الإشارة الناتجة. ومع ذلك، تواجه طرق LFA التقليدية تحديات بسبب الضوضاء البصرية الطفيلية، التي يمكن أن تخففها NDs المضافة إليها NV من خلال خصائصها البصرية الفريدة. تظهر مراكز NV فلوريسنس مستقرة يمكن تعديلها بواسطة مجال مغناطيسي خارجي، مما يمكّن من تصفية الضوضاء الخلفية بشكل فعال عبر تقنيات الكشف المتزامن.
تؤكد الأبحاث تقنية LFA المعتمدة على NV من خلال الكشف الناجح عن مستضد السرطان الجنيني (CEA)، وهو علامة حيوية لبعض أنواع السرطان. أدت المعلمات المحسنة للاختبار إلى حد كشف (LoD) قدره 200 pg/mL ونطاق تقدير من 12 إلى 640 ng/mL. تقارن الدراسة أيضًا أداء NDs المضافة إليها NV مع علامات LFA التقليدية، مما يظهر حساسية متفوقة ونطاق كشف أوسع لبروتين VHS/G57. لا تعزز الطريقة المعتمدة على NV قدرات الكشف فحسب، بل تبسط أيضًا عملية الاختبار من خلال القضاء على الحاجة إلى ربط فلوروفور إضافي، مما يجعلها أكثر عملية لتطبيقات التشخيص المتنوعة. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن NDs المضافة إليها NV تمثل تقدمًا واعدًا في تقنية LFA، حيث تقدم حساسية محسنة، واستقرار، وسهولة استخدام في بيئات التشخيص المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-37454-6
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41634092
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Baptiste Vindolet et al.
Primary Topic: Diamond and Carbon-based Materials Research
Overview
This research paper introduces a novel biomarker detection technology utilizing nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond, specifically applied to Lateral Flow Assays (LFA) through NV-doped functionalized nanodiamonds (ND) as labels. The study demonstrates that NV centers provide sensitive and quantitative detection capabilities, enhancing the traditional LFA’s benefits of speed, simplicity, and low cost. The NV-based LFA is capable of detecting biomarkers across a wide range, from picograms per milliliter (pg/mL) to milligrams per milliliter (mg/mL), making it suitable for various applications in biomedical, agri-food, and ecotoxicology diagnostics.
The findings indicate that NV-doped ND labels could serve as a complementary method to existing amplified LFAs, offering improved sensitivity and reliability. Through comparative experiments, the study highlights the advantages of using ND labels, including enhanced detection capabilities and practicality. However, it also identifies areas for further research, such as conducting larger statistical studies, optimizing ND migration times, and developing a portable NV-based LFA reader. The potential for NV-doped ND to be utilized in other diagnostic methods, such as flow cytometry and PCR, is also discussed, suggesting that this technology could significantly advance point-of-care diagnostics by providing more sensitive and quantitative measurements.
Methods
In this section, the methodology for optimizing lateral flow assay (LFA) parameters is detailed, focusing on the detection of the CEA cancer antigen at a concentration of 100 ng/mL. The optimization process involves migrating a liquid sample along a strip after depositing a fixed concentration of the target biomarker. The study emphasizes that the optimized parameters are specific to CEA detection and will require re-optimization for other biomarkers. However, the protocol established serves as a foundational framework for selecting parameters for different targets.
The objectives of the optimization include maximizing the specific fluorescence signal from nanoparticles (ND) in the test line (TL) while minimizing the aspecific signal, which arises from ND distributed across the nitrocellulose membrane outside the TL and control line (CL). The study evaluates various parameters, including types of nitrocellulose membranes, conjugate pads, mass of capture antibodies (CAb), combinations of detection antibodies (DAb), ND size, mass of ND, grafting rates of DAb on ND, and migration buffer composition. The optimal values for each parameter are highlighted, with specific choices made for the study: HF120+ membrane, 2 µg of CAb, 100 nm ND size, 350 ng ND mass, and a grafting rate of 600 DAb per ND.
Discussion
The discussion section outlines the application of nitrogen-vacancy (NV) centers in nanodiamonds (ND) for enhancing the sensitivity and reliability of lateral flow assays (LFA). The LFA operates on a sandwich format where detection antibodies (DAb) are functionalized onto ND labels to bind specific analytes. The process involves the migration of a sample along a nitrocellulose membrane, where the DAb forms complexes with the target analytes, allowing for optical detection of the resulting signal. However, traditional LFA methods face challenges due to parasitic optical noise, which NV-doped NDs can mitigate through their unique optical properties. The NV centers exhibit stable fluorescence that can be modulated by an external magnetic field, enabling effective background noise filtering via lock-in detection techniques.
The research validates the NV-based LFA technique by successfully detecting carcinoembryonic antigen (CEA), a biomarker for certain cancers. The optimized parameters for the assay yielded a limit of detection (LoD) of 200 pg/mL and a quantification range of 12 to 640 ng/mL. The study further compares the performance of NV-doped NDs with conventional LFA labels, demonstrating superior sensitivity and a broader detection range for the VHS/G57 protein. The NV-based approach not only enhances detection capabilities but also simplifies the assay process by eliminating the need for additional fluorophore attachment, making it more practical for diverse diagnostic applications. Overall, the findings suggest that NV-doped NDs represent a promising advancement in LFA technology, offering improved sensitivity, stability, and ease of use in various diagnostic settings.