Popeye, de stripheld, zweert erbij, net als generaties ouders die hun kinderen verrassen met spinazie. Natuurlijk, tegenwoordig is bekend dat de groente niet zo rijk aan ijzer is als oorspronkelijk werd gedacht, maar dat ijzer niettemin essentieel is voor ons fysieke welzijn staat buiten kijf. Gebrek aan ijzer - veroorzaakt door ondervoeding - kan leiden tot bloedarmoede, terwijl een verhoogd ijzergehalte kan wijzen op de aanwezigheid van een acute ontstekingsreactie. Daarom, het ijzergehalte in het bloed is een belangrijk medisch diagnostisch middel. Onderzoekers van de Universiteit van Ulm, onder leiding van experimenteel natuurkundige Fedor Jelezko, theoretisch natuurkundige Martin Plenio en scheikundige Tanja Weil, hebben een nieuwe biosensor ontwikkeld voor het bepalen van het ijzergehalte op basis van nanodiamanten.

"Standaard bloedonderzoeken registreren geen - zoals men zou verwachten - vrije ijzerionen in het bloed, omdat vrij ijzer giftig is en daarom nauwelijks aantoonbaar in bloed, " legt professor Tanja Weil uit, directeur van het Instituut voor Organische Chemie III, Universiteit van Ulm. Deze methoden zijn in plaats daarvan gebaseerd op bepaalde eiwitten die verantwoordelijk zijn voor de opslag en het transport van ijzer. Een van deze eiwitten is ferritine, dat tot 4, 500 magnetische ijzerionen. De meeste standaardtesten zijn gebaseerd op immunologische technieken en schatten de ijzerconcentratie indirect op basis van verschillende markers. Resultaten van verschillende tests kunnen in sommige klinische situaties echter leiden tot inconsistente resultaten.

De Ulm-wetenschappers hebben een geheel nieuwe aanpak ontwikkeld om ferritine te detecteren. Dit vereiste een combinatie van verschillende nieuwe ideeën. Eerst, elk ferritinegebonden ijzeratoom genereert een magnetisch veld, maar aangezien er maar 4 zijn, 500 van hen, het totale magnetische veld dat ze genereren is inderdaad erg klein en daarom moeilijk te meten. Dit inderdaad, vormde de tweede uitdaging voor het team:een methode ontwikkelen die voldoende gevoelig is om zulke zwakke magnetische velden te detecteren. Dit hebben ze bereikt door gebruik te maken van een geheel nieuwe, innovatieve technologie op basis van kleine kunstmatige diamanten van nanometergrootte. Cruciaal is dat deze diamanten niet perfect zijn — kleurloos en transparant — maar bevatten roosterdefecten die optisch actief zijn en dus de kleur van diamanten geven.

"Deze kleurcentra stellen ons in staat om de oriëntatie van elektronenspins in externe velden te meten en zo hun sterkte te meten", legt professor Fedor Jelezko uit, directeur van het Ulm Institute of Quantum Optics. Ten derde, het team moest een manier vinden om ferritine op het oppervlak van de diamant te adsorberen. "Dit hebben we bereikt met behulp van elektrostatische interacties tussen de kleine diamantdeeltjes en ferritine-eiwitten, " voegt Weil toe. Tot slot, "Theoretische modellering was essentieel om ervoor te zorgen dat het gemeten signaal in feite consistent is met de aanwezigheid van ferritine en dus om de methode te valideren, " zegt Martin Plenio, directeur van het Instituut voor Theoretische Fysica. Toekomstplannen van het Ulm-team omvatten de precieze bepaling van het aantal ferritine-eiwitten en de gemiddelde ijzerbelasting van individuele eiwitten.

De demonstratie van deze innovatieve methode, gemeld in Nano-letters , vertegenwoordigt een eerste stap op weg naar de doelen van hun onlangs toegekende BioQ Synergy Grant. De focus van dit project is de verkenning van kwantumeigenschappen in de biologie en het creëren van zelfgeorganiseerde diamantstructuren.

"Diamantsensoren kunnen dus worden toegepast in de biologie en geneeskunde, " zeggen de Ulm-wetenschappers. Maar hun nieuwe uitvinding heeft zijn grenzen ". Of de kinderen hun spinazie ook daadwerkelijk hebben gegeten is met de diamantsensor niet te detecteren, dat is nog steeds het voorrecht van ouders ", bekent kwantumfysicus Plenio.