گروهی بین‌المللی از پژوهش‌گران نوعی نانوالماسِ حسگر زیستی را توسعه داده‌اند که قادر است محتوای آهن خون را تعیین کند. این حسگر از نقص‌های موجود در این الماس‌های کوچک استفاده کرده و پروتئین ویژه‌ای را که آهنِ خون را ذخیره می‌کند و در بسیاری از موجودات زنده نیز یافت می‌شود را آشکارسازی کند. این پژوهش‌گران امیدوارند این فناوریِ حسگری را برای آشکارسازی دیگرِ پروتئین‌ها نیز توسعه دهند.

آهن در اکثر موجودات زنده به وفور وجود دارد- پروتئین‌های حاوی این فلز در همه‌چیز از موجودات زنده میکرونیِ تک سلولی گرفته تا انسان‌ها یافت می‌شود. در انسان‌ها کمبود آهن عمدتاً بواسطه‌ی سوء تغذیه بوجود آمده و می‌تواند به کم‌خونی منجر گردد٬ درحالی که افزایش میزانِ آهن را می‌توان حاکی از یک پاسخ التهابی حاد دانست. بنابراین٬ اندازه‌گیری دقیق میزان آهنِ خون را می‌توان یک ابزار تشخیصیِ اساسی در پزشکی به حساب آورد.

تشخیص متمایز

با این وجود آشکارسازی تک پروتئین‌ها در نمونه‌های زیستی یک شاهکار محسوب نمی‌شود. روش‌های مرسوم٬ یا شامل نشان‌گرهای آلی‌اند (رنگ‌ها و پروتئین‌های فلورسانت) و یا نقاط کوانتومی. اما این نشان‌گرها پس از آن‌که برای مدتی مورد استفاده قرار گیرند تمایل به سفید شدن از خود نشان می‌دهند٬ نقاط کوانتومی نیز منجر به تنزل نمونه‌ی موردنظر می‌شوند. آزمایش‌هایِ استانداردِ خون شامل آشکارسازی یک پروتئین٬ معروف به فریتین (ferritin) است. این پروتئین عامل ذخیره و انتقال آهن بوده و می‌تواند تا ۴۵۰۰ یون آهن مغناطیسی را در برگیرد. اما به واسطه‌ی استفاده از رنگ‌های آلی یا نقاط کوانتومی (که به طور غیرمستقیم به میزان آهن خون پِی‌ می‌برند) نتیجه‌ی چنان آزمایش‌هایی ممکن است نتایجِ قاطعی نباشد.

نقص‌های الماس: الماس‌هایی در ابعاد نانومتر که به عنوان یک حسگر عمل می‌کنند.

اکنون٬ تیمی متشکل از فدر جلزکو (Fedor Jelezko) فیزیک‌دانی از دانشگاه اولم (Ulm) در آلمان همراه با همکارانش در تایوان٬ روشی را برای آشکارسازیِ فریتین با استفاده از الماس‌هایِ در ابعاد نانو توسعه داده‌اند. این الماس‌ها حاوی نقص‌هایی معروف به نقص‌های نیتروژن-تهی‌جای (NV) هستند. این نقص‌ها وقتی ایجاد می‌شوند که دو اتم کربنِ همسایه‌ی هم در ساختار الماس با یک اتم نیتروژن و یک تهی‌جای شبکه‌ای جایگزین شده باشند. چنین NV‌هایی قادرند میدان‌های مغناطیسیِ ضعیف را آشکارسازی کنند. این دقیقاً آن چیزی است که محققان به دنبال آن هستند٬ هر فریتینِ مقید به اتم آهن٬ میدان مغناطیسیِ ناچیزی تولید می‌کند که معمولاً اندازه‌گیری آن کار دشواری است.

مکان‌های ویژه

آن‌طور که جلزکو به physicsworld.com می‌گوید٬ مکان‌ NVها به منظور توسعه‌ی این حسگر جدید بسیار مهم و اساسی است. و به این خاطر است که پژوهش‌گران دانشگاه اولم با هوان چنگ چانگ (Huan-Cheng Chang) و همکارانش در آکادمی سینیکا (Academia Sinica) در تایوان مشارکت می‌کنند. هوان کسی است که نانوبلورهای تجاری موجود را با یون‌های سنگین (به منظور ایجاد NVها) مورد تابش قرار داده است.

طیف ستاره‌گان

به عنوان آزمونی برای اثبات اصل٬ پژوهش‌گران از نانوالماس‌ها برای آشکارسازی نمونه‌ای از پروتئینِ فریتینِ خالص‌ به جای نمونه‌ی موجود در خون استفاده کرده‌اند. به این منظور جلزکو و همکارانش بایستی در پی راهی باشند تا فریتین را بر روی سطح الماس جذب کند. این کار با استفاده از اندرکنش‌های الکترواستاتیکی بین نانوالماس‌ها و پروتئین‌های فریتین انجام می‌شود٬ که منجر به تشکیل یک پیوند غیر کووالانسی بین سطح الماس و یک گروه آمینو در پروتئین می‌گردد. محققان پس از آن فریتین را بواسطه‌ی «نوفه‌ی مغناطیسی» آشکارسازی می‌کنند. این نوفه توسط اتم‌های آهن در پروتئین (که همواره به ممان‌های مغناطیسیِ ناپایدار تلنگر می‌زند) ایجاد می‌شود.

به گفته‌ی جلزکو: «در اصل ما دامنه‌ی نوفه‌ی مغناطیسی را در مکان‌های NV اندازه می‌گیریم». او خاطر نشان می‌کند درحالی‌که در اغلب آزمایش‌ها نوفه‌ از هر نوعی که باشد عاملی مزاحم به حساب می‌آید٬ در این مورد بسیار مهم و اساسی است. به گفته‌ی وی: «در حقیقت٬ ما نه تنها نوفه را بلکه فرکانس و در نتیجه طیفِ نوفه را آشکارسازی می‌کنیم». وی می‌افزاید محققان می‌توانند از این نتایج برای محاسبه‌ی تعداد اتم‌هایی که عامل نوفه هستند استفاده کنند (هرچه تعداد اتم‌ها بیشتر باشد فرکانس بالاتری از این تلنگرها را خواهیم داشت). جلزکو این تکنیک را به نجوم تشبیه می‌کند، جایی‌که طیف یک ستاره٬ ترکیبات آن و فرآیندهای داخلی آن ستاره را برملا می‌کند. به گفته‌ی او: «ما آهن درون پروتئین را لمس نمی‌کنیم٬ بلکه به جای آن نوفه‌ی خارج شده از آن را اندازه می‌گیریم. بنابراین یک تکنیک غیرتماسی داریم».

سنجش مستقیم

این تیم کاهش قابل توجهی را هم در همدوسی و هم در زمان واهلش اسپینِ یک NV (ناشی از حضورِ فریتین) مشاهده کرده‌اند. در حقیقت اثر مشاهده شده به حد کافی بزرگ هست تا یک تک مولکولِ فریتینِ نزدیک به حسگر را بتوان آشکارسازی نمود. محققان همچنین از یک مدل نظری برای اعتبار بخشیدن به این روش استفاده کردند تا مطمئن شوند سیگنال‌هایی که آن‌ها اندازه‌گیری کرده‌اند با حضور فریتین سازگار بوده باشد.

این کار جدید نشان می‌دهد که زیست‌حسگرهای NV (به لطف سازگاریِ زیستی آن‌ها و حساسیت مغناطیسی بالا تحت شرایط محیطی) توسعه‌ی امیدوارکننده‌ای هستند. به بیان جلزکو این روش می‌تواند به زودی و مستقیماً برای آشکارسازی آهن در نمونه‌های خون استفاده شود. این کار به شکل ساده یا با جاگذاری این نانوالماس‌ها در یک نمونه خون و سپس شستشوی همه‌ی آن‌چه وجود دارد (بجز فریتین) انجام می‌شود، و یا با استفاده از ایجاد یک کانال میکروسیالی در الماس به منظور فرستادن نمونه از این طریق انجام می‌شود. او همچنین تصور می‌کند که آزمایش‌های بالینی با نمونه‌های دقیقی از خون را می‌توان به سهولت انجام داد٬ بویژه به لطف این حقیقت که تنها نمونه بسیار کوچکی را نیاز داریم. این تیم در حال حاضر در جستجوی دیگر پروتئین‌ها و موادی در خون هستند که قابلیت آشکارسازی با استفاده از این حسگرها را دارند.

این تحقیق در Nano Letters انتشار یافته است.

درباره‌ی نویسنده:

تاشنا کمیساریای (Tushna Commissariat) گزارشگر physicsworld.com است.

 منبع:  Detecting blood-iron levels with tiny diamonds