Spinat og nanodiamanter?

Skipper Skræk, tegneseriehelten, sværger til det ligesom generationer af forældre, der glæder deres børn med spinat. Selvfølgelig, i dag ved man, at grøntsagerne ikke er helt så rig på jern, som man oprindeligt troede, men at jern ikke desto mindre er afgørende for vores fysiske velbefindende er ubestridt. Mangel på jern - forårsaget af underernæring - kan føre til anæmi, mens et øget niveau af jern kan signalere tilstedeværelsen af ​​en akut inflammatorisk reaktion. Derfor, blodets jernniveau er et vigtigt medicinsk diagnostisk middel. Forskere ved Ulm University, ledet af eksperimentel fysiker Fedor Jelezko, teoretisk fysiker Martin Plenio og kemiker Tanja Weil, har udviklet en ny biosensor til bestemmelse af jernindhold, der er baseret på nanodiamanter.

"Standard blodprøver fanger ikke - som man kunne forvente - frie jernioner i blodet, fordi frit jern er giftigt og derfor næsten ikke kan spores i blodet, " forklarer professor Tanja Weil, direktør for Institut for Organisk Kemi III, Universitetet i Ulm. Disse metoder er baseret på visse proteiner i stedet for, der er ansvarlige for opbevaring og transport af jern. Et af disse proteiner er ferritin, der kan indeholde op til 4, 500 magnetiske jernioner. De fleste standardtests er baseret på immunologiske teknikker og estimerer jernkoncentrationen indirekte baseret på forskellige markører. Resultater fra forskellige tests kan dog føre til inkonsistente resultater i nogle kliniske situationer.

Ulm-forskerne har udviklet en helt ny tilgang til at påvise ferritin. Dette krævede en kombination af flere nye ideer. Først, hvert ferritinbundet jernatom genererer et magnetfelt, men da der kun er 4, 500 af dem, det samlede magnetfelt, de genererer, er meget lille og derfor svært at måle. Dette sandelig, udgjorde den anden udfordring for holdet:at udvikle en metode, der er tilstrækkelig følsom til at detektere så svage magnetfelter. Dette opnåede de ved at gøre brug af en helt ny, innovativ teknologi baseret på små kunstige diamanter af nanometerstørrelse. Det er afgørende, at disse diamanter ikke er perfekte - farveløse og gennemsigtige - men indeholder gitterdefekter, som er optisk aktive og dermed giver diamanternes farve.

"Disse farvecentre giver os mulighed for at måle orienteringen af ​​elektronspin i eksterne felter og dermed måle deres styrke," forklarer professor Fedor Jelezko, direktør for Ulm Institute of Quantum Optics. For det tredje, holdet skulle finde en måde at adsorbere ferritin på overfladen af ​​diamanten. "Dette opnåede vi ved hjælp af elektrostatiske interaktioner mellem de små diamantpartikler og ferritinproteiner, " tilføjer Weil. Til sidst, "Teoretisk modellering var afgørende for at sikre, at det målte signal faktisk er i overensstemmelse med tilstedeværelsen af ​​ferritin og dermed for at validere metoden, " siger Martin Plenio, direktør for Instituttet for Teoretisk Fysik. Fremtidige planer for Ulm-teamet inkluderer den præcise bestemmelse af antallet af ferritinproteiner og den gennemsnitlige jernbelastning af individuelle proteiner.

Demonstrationen af ​​denne innovative metode, rapporteret i Nano bogstaver , repræsenterer et første skridt mod målene for deres nyligt tildelte BioQ Synergy Grant. Fokus for dette projekt er udforskningen af ​​kvanteegenskaber i biologi og skabelsen af ​​selvorganiserede diamantstrukturer.

"Diamantsensorer kan således anvendes i biologi og medicin, " siger Ulm-forskerne. Men deres nye opfindelse har sine grænser. Om børnene faktisk har spist deres spinat kan ikke registreres med diamantsensoren, det er stadig forældrenes privilegium", bekender kvantefysiker Plenio.