Gli autori mostrano una metasuperficie pixelata del sensore per la spettroscopia molecolare. Consiste di metapixel progettati per concentrare la luce in volumi di dimensioni nanometriche al fine di amplificare e rilevare l'impronta digitale di assorbimento delle molecole di analita a specifiche lunghezze d'onda di risonanza. La lettura simultanea basata su immagini di tutti i metapixel fornisce una mappa spaziale dell'impronta digitale di assorbimento molecolare campionata alle singole lunghezze d'onda di risonanza. Questa mappa di assorbimento pixelata può essere vista come un codice a barre bidimensionale dell'impronta digitale molecolare, che codifica le caratteristiche bande di assorbimento come caratteristiche distinte dell'immagine risultante. Credito:EPFL
La spettroscopia a infrarossi è il metodo di riferimento per il rilevamento e l'analisi dei composti organici. Ma richiede procedure complicate e grandi, strumenti costosi, rendere impegnativa la miniaturizzazione dei dispositivi e ostacolarne l'uso per alcune applicazioni industriali e mediche e per la raccolta di dati sul campo, come per misurare le concentrazioni di inquinanti. Per di più, è fondamentalmente limitato da basse sensibilità e quindi richiede grandi quantità di campioni.
Però, gli scienziati della School of Engineering dell'EPFL e dell'Australian National University (ANU) hanno sviluppato un sistema nanofotonico compatto e sensibile in grado di identificare le caratteristiche di assorbimento di una molecola senza utilizzare la spettrometria convenzionale.
Il loro sistema è costituito da una superficie ingegnerizzata ricoperta da centinaia di minuscoli sensori chiamati metapixel, che può generare un codice a barre distinto per ogni molecola con cui la superficie viene a contatto. Questi codici a barre possono essere analizzati e classificati in modo massiccio utilizzando il riconoscimento di modelli avanzati e la tecnologia di smistamento come le reti neurali artificiali. Questa ricerca, che si trova al crocevia della fisica, nanotecnologia e big data—è stato pubblicato in Scienza .
Tradurre le molecole in codici a barre
I legami chimici nelle molecole organiche hanno ciascuno un orientamento e una modalità vibrazionale specifici. Ciò significa che ogni molecola ha una serie di livelli energetici caratteristici, che si trovano comunemente nella gamma del medio infrarosso, corrispondenti a lunghezze d'onda di circa 4-10 micron. Perciò, ogni tipo di molecola assorbe la luce a frequenze diverse, dando a ciascuno una "firma" unica. La spettroscopia a infrarossi rileva se una determinata molecola è presente in un campione, verificando se il campione assorbe i raggi luminosi alle frequenze tipiche della molecola. Però, tali analisi richiedono strumenti di laboratorio con dimensioni e prezzo elevati.
Il sistema pionieristico sviluppato dagli scienziati dell'EPFL è altamente sensibile e può essere miniaturizzato; utilizza nanostrutture in grado di intrappolare la luce su scala nanometrica e quindi fornire livelli di rilevamento molto elevati per i campioni sulla superficie. "Le molecole che vogliamo rilevare sono in scala nanometrica, quindi colmare questo divario dimensionale è un passo essenziale, "dice Hatice Altug, capo del BioNanoPhotonic Systems Laboratory dell'EPFL e coautore dello studio.
Le nanostrutture del sistema sono raggruppate in quelli che vengono chiamati metapixel in modo che ognuno risuoni a una frequenza diversa. Quando una molecola entra in contatto con la superficie, il modo in cui la molecola assorbe la luce cambia il comportamento di tutti i metapixel che tocca.
"È importante che i metapixel sono disposti in modo tale che diverse frequenze vibrazionali siano mappate su diverse aree della superficie, "dice Andreas Tittl, autore principale dello studio.
Questo crea una mappa pixelata dell'assorbimento della luce che può essere tradotta in un codice a barre molecolare, il tutto senza utilizzare uno spettrometro.
Gli scienziati hanno già utilizzato il loro sistema per rilevare i polimeri, pesticidi e composti organici. Cosa c'è di più, il loro sistema è compatibile con la tecnologia CMOS.
"Grazie alle proprietà ottiche uniche dei nostri sensori, possiamo generare codici a barre anche con sorgenti luminose e rilevatori a banda larga, "dice Aleksandrs Leitis, un coautore dello studio.
Ci sono una serie di potenziali applicazioni per questo nuovo sistema. "Ad esempio, potrebbe essere utilizzato per realizzare dispositivi di test medici portatili che generano codici a barre per ciascuno dei biomarcatori trovati in un campione di sangue, "dice Dragomir Neshev, un altro coautore dello studio.
L'intelligenza artificiale potrebbe essere utilizzata insieme a questa nuova tecnologia per creare ed elaborare un'intera libreria di codici a barre molecolari per composti che vanno da proteine e DNA a pesticidi e polimeri. Ciò darebbe ai ricercatori un nuovo strumento per individuare rapidamente e accuratamente quantità minuscole di composti presenti in campioni complessi.
