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德國與台灣研究人員聯手開發的奈米鑽石生物感測器(nanodiamond biosensor)，能偵測血液中的鐵含量。此感測器利用奈米鑽石中的缺陷偵測一種在血液中能儲存鐵質的蛋白質，該蛋白質同時存在於許多生物有機體中。大部分生物有機體都富含鐵質，從單細胞微生物到人體內皆然。人體鐵質不足常肇因於營養不良，並導致貧血，而鐵質過多則是急性發炎反應的可能徵兆。因此，精準量測血中鐵質是一不可或缺的醫學診斷工具。
一般的血液測試是偵測鐵蛋白質(ferritin)，此類蛋白質負責鐵質的儲存和運輸，可攜帶高達4500個磁性鐵離子。然而，在生物樣本中偵測特定蛋白質並非易事。目前的方法包含使用有機標記物如染料及螢光蛋白質，或者是利用量子點，然而標記物在使用一陣子後常會褪色，而量子點則可能會破壞樣本。此外，有機染料和量子點皆屬於間接推論鐵含量，所以結果並不完全可靠。
最近，德國烏爾姆(Ulm)大學Fedor Jelezko的研究團隊與台灣中研院張煥正研究員等人，利用奈米鑽石中的氮空位(nitrogen-vacancy, NV)缺陷來探測鐵蛋白的存在。當鑽石中相鄰兩個碳原子被氮原子和空位所取代時便會產生氮空位缺陷，這種缺陷能偵測微弱磁場，而與鐵蛋白結合的鐵原子會產生通常難以測量的微弱磁場。
為了進行原理驗證測試，研究人員選擇分析純化的鐵蛋白樣本，而捨棄直接使用血液樣本。研究人員利用鑽石與鐵蛋白質之間存在的靜電交互作用，讓後者附著在前者表面。鐵蛋白質中的鐵原子有著持續翻轉的不穩定磁矩，研究人員便是透過量測此「磁噪訊」(magnetic noise )來偵測鐵蛋白的存在。
Jelezko指出，他們基本上是測量氮空位處的磁噪訊振幅與頻率，也就是噪訊頻譜。進一步分析可計算出鐵原子的數量，數目愈多會導致愈高的翻轉頻率。Jelezko把此非接觸性技術比喻成天文學的觀測技術，恆星的發光頻譜與其組成和內部反應有關。該團隊發現，鐵蛋白質的存在會使氮空位缺陷中自旋的同調和鬆弛時間大幅降低。事實上，在夠接近探測器的情形下，僅需單一蛋白分子便能產生可測得之訊號。他們也利用了理論模型來驗證此方法的有效性，確認所測量的訊號確實對應到鐵蛋白質的存在。
此氮空位生物感測器具有生物相容性且對周遭的磁場高度敏感。Jelezko認為該方法未來能迅速直接偵測血液中的鐵原子，而且由於僅需少量樣本，臨床試驗應可輕易完成。該研究團隊計畫藉此感測器偵測血液中其他蛋白質與物質。詳見Nano Lett.｜DOI: 10.1021/nl4015233。 |