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À l’aide de simulations mathématiques, des chercheurs du MIT ont montré qu’il serait possible de concevoir un capteur, basé sur la physique quantique, qui pourrait détecter le virus SARS-CoV-2. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs, édité par MIT News
Un capteur basé sur la physique quantique pourrait détecter le virus SARS-CoV-2
Les simulations mathématiques montrent que la nouvelle approche peut offrir une détection plus rapide, moins chère et plus précise, y compris l’identification de nouvelles variantes.
Une nouvelle approche pour tester la présence du virus qui cause Covid-19 peut conduire à des tests plus rapides, moins coûteux et potentiellement moins sujets à des résultats erronés que les méthodes de détection existantes. Bien que les travaux, basés sur les effets quantiques, soient encore théoriques, ces détecteurs pourraient potentiellement être adaptés pour détecter pratiquement n’importe quel virus, selon les chercheurs.
La nouvelle approche est décrite dans un article publié le 16 décembre 2021 dans la revue Lettres nano, par Changhao Li, un AVEC étudiant en médecine; Paola Cappellaro, professeur de sciences et d’ingénierie nucléaires et de physique ; et Rouholla Soleyman et Mohammad Kohandel du Université de Waterloo.
Les tests existants pour le SRAS-CoV-2 virus comprennent des tests rapides qui détectent des protéines virales spécifiques et des tests de réaction en chaîne par polymérase (PCR) qui prennent plusieurs heures à traiter. Aucun de ces tests ne peut quantifier la quantité de virus présente avec une forte précision. Même les tests PCR de référence peuvent avoir des taux de faux négatifs de plus de 25 %. En revanche, l’analyse de l’équipe montre que le nouveau test pourrait avoir des taux de faux négatifs inférieurs à 1%. Le test pourrait également être suffisamment sensible pour détecter quelques centaines de brins du virus ARN, en une seconde.
Le capteur n’utilise que des matériaux à faible coût (les diamants impliqués sont plus petits que des grains de poussière) et les appareils pourraient être agrandis pour analyser tout un lot d’échantillons à la fois, selon les chercheurs. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
La nouvelle approche utilise des défauts à l’échelle atomique dans de minuscules morceaux de diamant, connus sous le nom de centres de lacunes d’azote (NV). Ces minuscules défauts sont extrêmement sensibles aux perturbations infimes, grâce aux effets quantiques qui se produisent dans le réseau cristallin du diamant, et sont explorés pour une grande variété de dispositifs de détection nécessitant une sensibilité élevée.
La nouvelle méthode impliquerait de revêtir les nanodiamants contenant ces centres NV d’un matériau qui leur est couplé magnétiquement et qui a été traité pour se lier uniquement avec la séquence d’ARN spécifique du virus. Lorsque l’ARN du virus est présent et se lie à ce matériau, il perturbe la connexion magnétique et provoque des changements dans la fluorescence du diamant qui sont facilement détectés avec un capteur optique à base de laser.
Le capteur n’utilise que des matériaux à faible coût (les diamants impliqués sont plus petits que des grains de poussière) et les appareils pourraient être agrandis pour analyser tout un lot d’échantillons à la fois, selon les chercheurs. Le revêtement à base de gadolinium avec ses molécules organiques adaptées à l’ARN peut être produit à l’aide de processus et de matériaux chimiques courants, et les lasers utilisés pour lire les résultats sont comparables aux pointeurs laser verts commerciaux bon marché et largement disponibles.
Alors que ce travail initial était basé sur des simulations mathématiques détaillées qui ont prouvé que le système peut fonctionner en principe, l’équipe continue de travailler à la traduction en un appareil fonctionnel à l’échelle du laboratoire pour confirmer les prédictions. « Nous ne savons pas combien de temps il faudra pour faire la démonstration finale », dit Li. Leur plan est d’abord de faire un test de laboratoire de preuve de principe de base, puis de travailler sur des moyens d’optimiser le système pour le faire fonctionner sur de vraies applications de diagnostic de virus.
Le processus multidisciplinaire nécessite une combinaison d’expertise en physique quantique et en ingénierie, pour produire les détecteurs eux-mêmes, et en chimie et biologie, pour développer les molécules qui se lient à l’ARN viral et pour trouver des moyens de les lier aux surfaces de diamant.
Même si des complications surviennent lors de la traduction de l’analyse théorique en un appareil fonctionnel, dit Cappellaro, il y a une telle marge de faux négatifs prédites à partir de ce travail qu’il aura probablement encore un fort avantage sur les tests PCR standard à cet égard. Et même si la précision était la même, cette méthode aurait toujours l’avantage majeur de produire ses résultats en quelques minutes, plutôt que de nécessiter plusieurs heures, dit-elle.
La méthode de base peut être adaptée à n’importe quel virus, dit-elle, y compris à tout nouveau virus susceptible d’apparaître, simplement en adaptant les composés qui sont attachés aux capteurs nanodiamants pour qu’ils correspondent au matériel générique du virus cible spécifique.
« L’approche proposée est attrayante à la fois pour sa généralité et sa simplicité technologique », déclare David Glenn, chercheur principal chez Quantum Diamond Technologies Inc., qui n’était pas associé à ce travail. “En particulier, la technique de détection sensible et tout optique décrite ici nécessite une instrumentation minimale par rapport à d’autres méthodes qui utilisent des centres de vacance d’azote”, dit-il.
Il ajoute que pour son entreprise, « nous sommes très enthousiastes à l’idée d’utiliser des capteurs quantiques à base de diamant pour créer des outils puissants pour le diagnostic biomédical. Inutile de dire que nous suivrons avec grand intérêt la traduction des idées présentées dans ce travail au laboratoire. »
Référence : « SARS-CoV-2 Quantum Sensor Based on Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond » par Changhao Li, Rouhollah Soleyman, Mohammad Kohandel et Paola Cappellaro, 16 décembre 2021, Lettres nano.
DOI : 10.1021/acs.nanolett.1c02868
Le travail a été soutenu par le US Army Research Office et le Fonds d’excellence en recherche de Canada First.
