Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spinat und Nanodiamant?

25.06.2013
Forscher der Universität Ulm haben mit Hilfe von Nanodiamanten Biosensoren entwickelt, die in der Lage sind, den Bluteisenwert zuverlässiger zu messen als herkömmliche Verfahren.

Ihnen ist es gelungen, die Magnetfelder der am Ferritin gebundenen Eisenionen durch ein diamantbasiertes hochsensibles Messverfahren zu erfassen. Hierfür wurden winzigste Partikel künstlicher Diamanten durch elektrostatische Interaktionen mit dem Ferritin verbunden.


Kleine Diamanten, circa 100 Mikrometer Durchmesser, in einer mikroskopischen Aufnahme. Spezifische Gitter-Fehler geben den künstlich hergestellten Edelsteinen nicht nur ihre typische Farbe, sondern sie bilden auch die Grundlage für die Magnetfeldmessungen. Für die Experimente der Ulmer Gruppe werden die Diamanten bis auf die Größe von 20 Nanometern zermahlen. Zum Vergleich, ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von circa 70 Mikrometern und ist damit 3000 mal dicker als die im Experiment verwendeten Nanodiamanten.
Foto: Fedor Jelezko


Grafisches Modell eines Ferritins, im Inneren: die gespeicherten Eisenionen.
Grafik: Tanja Weil

Das Forschungsprojekt von Martin Plenio, Fedor Jelezko und Tanja Weil wurde im Rahmen eines mit 10,3 Millionen Euro dotierten BioQ-Synergy-Grant der EU realisiert, der im Dezember letzten Jahres bewilligt worden war.

Nicht nur Comic-Held Popeye schwört drauf, auch Generationen von Eltern haben ihren Nachwuchs damit `verwöhnt´: Spinat. Zwar ist mittlerweile bekannt, dass das Gemüse nicht ganz so eisenhaltig ist wie ursprünglich angenommen, doch dass dieses Spurenelement essentiell ist für das physische Wohlbefinden, ist bis heute unstrittig. Denn Eisenmangel – ausgelöst durch Fehlernährung – kann zu Blutarmut (Anämie) führen. Ein zu hoher Eisenwert im Blut dagegen signalisiert möglicherweise das Vorliegen akuter Entzündungsreaktionen.

Der Eisengehalt im Blut ist daher ein wichtiges medizinisches Diagnosemittel. Forscher der Universität Ulm um die Physiker Fedor Jelezko, Martin Plenio und die Chemikerin Tanja Weil haben nun auf der Grundlage künstlicher Nanodiamanten einen neuartigen Biosensor zur Bestimmung des Eisengehalts entwickelt.

Realisiert wurde dieses Projekt im Rahmen des mit 10,3 Millionen Euro dotierten Synergy Grant BioQ des Europäischen Forschungsrates, mit dem die Wissenschaftler im vergangenen Dezember ausgezeichnet wurden. „Bluttests, die den Eisengehalt im menschlichen Körper messen, erfassen nicht – wie man denken könnte – freie Eisenionen im Blut. Denn ungebundenes Eisen wirkt toxisch und ist in der Regel kaum im Blut zu finden“, erläutert Professorin Tanja Weil, Leiterin des Instituts für Organische Chemie III der Universität Ulm.

Die Messverfahren richten sich stattdessen auf bestimmte Proteine, die für die Speicherung und den Transport von Eisen verantwortlich sind. Eines dieser Proteine ist das sogenannte Ferritin, das bis zu 4500 Eisenionen binden kann. Die meisten herkömmlichen Tests basieren auf immunologischen Verfahren und schätzen die Eisenkonzentration indirekt auf der Grundlage verschiedener Marker, wobei die Ergebnisse in bestimmten klinischen Situationen widersprüchlich ausfallen können.

Die Ulmer Wissenschaftler haben nun einen komplett neuen Ansatz entwickelt, um das Ferritin im Organismus aufzuspüren. Und zwar mit Hilfe einiger Kniffe. Zuerst hielten die Wissenschaftler einmal fest, dass Eisen ein Magnet ist, und Eisenatome magnetische Felder ausbilden, die sich durch Überlagerung so verstärken, dass diese technisch messbar werden. Ähnlich verhält es sich mit den an Ferritin gebundenen Eisenionen, deren Magnetfelder allerdings so winzig sind, dass sie äußerst schwer zu fassen sind. Hierin bestand nun die eigentliche Herausforderung für die Wissenschaftler: ein Verfahren zu entwickeln, das sensitiv genug ist, um derart schwache Magnetfelder präzise zu ermitteln. Mit Hilfe einer völlig neuartigen, hochinnovativen Technologie gelang es den Forschern nun, solche hochsensiblen Magnetfeldsensoren zu entwickeln. Deren Herzstück: winzigste künstliche Diamanten in Nanometergröße.

Der Trick dabei: verwendet werden keine perfekten Diamanten – farblos und transparent – sondern Diamanten mit sogenannten Gitter-Fehlern, die die Farbgebung der Diamanten beeinflussen. „Diese Farbzentren erlauben es uns, die Ausrichtung von Elektronenspins in externen Feldern optisch auszulesen“, erklärt Professor Fedor Jelezko, Leiter des Ulmer Instituts für Quantenoptik. Schließlich musste das Team einen Weg finden, um das Ferritin an der Diamant-Oberfläche anhaften zu lassen. „Dies gelang uns dann tatsächlich mit Hilfe von elektrostatischen Interaktionen zwischen den winzigen Diamantpartikeln und den Ferritin-Proteinen“, ergänzt Weil.

„Durch theoretische Modellierung konnten wir sicherstellen, dass das gemessene Signal in der Tat übereinstimmt mit der Präsenz von Ferritin und das Messverfahren an sich gültige Ergebnisse liefert“, sagt Martin Plenio, Leiter des Instituts für Theoretische Physik. Für die Zukunft verfolgen die Ulmer Forscher das ambitionierte Ziel, auch die genaue Anzahl der Proteine bestimmen zu können.

Mit dieser innovativen Entwicklung, die in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift NanoLetters veröffentlicht wurde, setzen die Ulmer Forscher immerhin einen ersten Meilenstein hin zu ihrem – mit dem BioQ-Synergy-Grant der EU ausgezeichneten – übergeordneten Forschungsziel. Im Mittelpunkt steht dabei die Erforschung von Quanteneigenschaften in der Biologie sowie die Herstellung möglicher Verbindungen zwischen Diamant und Biostrukturen, beispielsweile um neue Quantentechnologien zu realisieren. „Auf der Grundlage von Nanostrukturen in Diamanten können damit hochempfindliche Sensoren hergestellt werden, die sowohl in der Biologie als auch der Medizin praktische Anwendung finden“, so die Ulmer Naturwissenschaftler. Aber ihre neue Erfindung hat auch Grenzen: „Ob der Spinat wirklich gegessen wurde, das verrät uns der Diamant leider nicht. Das wissen die Mütter und Väter wohl besser“, gesteht Quantenphysiker Plenio.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Martin B. Plenio, Leiter des Instituts für Theoretische Physik, Tel.: 07 31 / 50 – 22900; Email: Martin.Plenio@uni-ulm.de

Prof. Dr. Tanja Weil, Leiterin des Instituts für Organische Chemie III, Tel.: 0731 / 50 – 22870; Email: Tanja.Weil@uni-ulm.de

Prof. Dr. Fedor Jelezko, Leiter des Instituts für Quantenoptik, Tel.: 07 31 / 50 – 23750; Email: Fedor.Jelezko@uni-ulm.de

Willi Baur | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-ulm.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen
12.12.2017 | Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

nachricht Undercover im Kampf gegen Tuberkulose
12.12.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit Quantenmechanik zu neuen Solarzellen: Forschungspreis für Bayreuther Physikerin

12.12.2017 | Förderungen Preise

Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

12.12.2017 | Energie und Elektrotechnik