Karl-Alfred, seriehjälten, svär vid det liksom generationer av föräldrar som gläder sina barn med spenat. Självklart, idag är det känt att grönsaken inte är riktigt så rik på järn som man ursprungligen trodde, men att järn ändå är väsentligt för vårt fysiska välbefinnande är ostridigt. Brist på järn – orsakad av undernäring – kan leda till anemi medan en ökad nivå av järn kan signalera närvaron av ett akut inflammatoriskt svar. Därför, järnnivån i blodet är ett viktigt medicinskt diagnostiskt medel. Forskare vid Ulm University, ledd av experimentfysikern Fedor Jelezko, teoretisk fysiker Martin Plenio och kemist Tanja Weil, har utvecklat en ny biosensor för bestämning av järnhalt som är baserad på nanodiamanter.

"Standardblodprov fångar inte - som man kan förvänta sig - fria järnjoner i blodet, eftersom fritt järn är giftigt och därför knappast kan detekteras i blod, " förklarar professor Tanja Weil, direktör för Institutet för organisk kemi III, Universitetet i Ulm. Dessa metoder bygger istället på vissa proteiner som ansvarar för lagring och transport av järn. Ett av dessa proteiner är ferritin som kan innehålla upp till 4, 500 magnetiska järnjoner. De flesta standardtester är baserade på immunologiska tekniker och uppskattar järnkoncentrationen indirekt utifrån olika markörer. Resultat från olika tester kan dock leda till inkonsekventa resultat i vissa kliniska situationer.

Ulm-forskarna har utvecklat en helt ny metod för att detektera ferritin. Detta krävde en kombination av flera nya idéer. Först, varje ferritinbunden järnatom genererar ett magnetfält men eftersom det bara finns 4, 500 av dem, det totala magnetfältet de genererar är mycket litet och därför svårt att mäta. Detta verkligen, utgjorde den andra utmaningen för teamet:att utveckla en metod som är tillräckligt känslig för att upptäcka så svaga magnetfält. Detta uppnådde de genom att använda en helt ny, innovativ teknologi baserad på små konstgjorda diamanter av nanometerstorlek. Av avgörande betydelse är dessa diamanter inte perfekta - färglösa och transparenta - utan innehåller gallerdefekter som är optiskt aktiva och därmed ger diamanternas färg.

"Dessa färgcentra tillåter oss att mäta orienteringen av elektronspin i yttre fält och därmed mäta deras styrka" förklarar professor Fedor Jelezko, direktör för Ulm Institute of Quantum Optics. För det tredje, teamet var tvunget att hitta ett sätt att adsorbera ferritin på ytan av diamanten. "Detta uppnådde vi med hjälp av elektrostatiska interaktioner mellan de små diamantpartiklarna och ferritinproteiner, " tillägger Weil. Slutligen, "Teoretisk modellering var väsentlig för att säkerställa att den uppmätta signalen faktiskt överensstämmer med närvaron av ferritin och därmed för att validera metoden, säger Martin Plenio, föreståndare för Institutet för teoretisk fysik. Framtida planer för Ulm-teamet inkluderar den exakta bestämningen av antalet ferritinproteiner och den genomsnittliga järnbelastningen av enskilda proteiner.

Demonstrationen av denna innovativa metod, redovisas i Nanobokstäver , representerar ett första steg mot målen för deras nyligen tilldelade BioQ Synergy Grant. Fokus för detta projekt är utforskningen av kvantegenskaper inom biologi och skapandet av självorganiserade diamantstrukturer.

"Diamantsensorer kan alltså användas inom biologi och medicin, " säger Ulm-forskarna. Men deras nya uppfinning har sina gränser". Om barnen faktiskt har ätit sin spenat går inte att upptäcka med diamantsensorn, det är fortfarande föräldrarnas privilegium", erkänner kvantfysikern Plenio.