Biosensori integrati negli smartphone, orologi intelligenti e altri gadget stanno per diventare realtà. In un articolo apparso sulla copertina del numero di gennaio di Sensori , i ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca descrivono un modo per aumentare la sensibilità dei rilevatori biologici al punto da poterli utilizzare in dispositivi mobili e indossabili.

Un biosensore è un dispositivo elettrochimico che determina la composizione dei fluidi biologici in tempo reale. I misuratori di glucosio nel sangue utilizzati dai pazienti diabetici potrebbero essere gli unici dispositivi di biorilevamento del mercato di massa in uso oggi. Ma i futurologi dicono che gli elettrodomestici saranno presto in grado di analizzare il sudore, saliva, umore acqueo, e altri fluidi corporei per identificare una persona, fare esami medici, diagnosticare malattie, o monitorare continuamente la salute di un individuo e fornire di conseguenza suggerimenti dietetici ottimali.

Fino a poco tempo fa, tali applicazioni non sono state prese seriamente in considerazione, perché i dispositivi disponibili non erano sufficientemente sensibili ed erano proibitivi per il mercato consumer. Però, può essere che stia per accadere una svolta. Un team di ricercatori del MIPT Center for Photonics and 2-D Materials ha proposto un progetto di biosensore radicalmente nuovo, che potrebbe aumentare la sensibilità del rivelatore molte volte e offrire una riduzione del prezzo altrettanto impressionante.

"Un biosensore convenzionale incorpora un risonatore ad anello e una guida d'onda posizionati sullo stesso piano, " ha spiegato lo studente laureato del MIPT Kirill Voronin del Laboratorio di Nanoottica e Plasmonica, che ha avuto l'idea utilizzata nello studio. "Abbiamo deciso di separare i due elementi e metterli su due piani diversi, con l'anello sopra la guida d'onda."

Il motivo per cui i ricercatori non hanno testato il layout del sensore prima è che la produzione di un appartamento, dispositivo a livello singolo è più facile in un ambiente di laboratorio. Depositando un film sottile e incidendolo, vengono prodotti contemporaneamente sia un risonatore ad anello che una guida d'onda. Il design alternativo a due livelli è meno conveniente per la produzione di dispositivi sperimentali unici, ma si è rivelato più economico per i sensori di produzione di massa. La ragione di ciò è che i processi tecnologici in un impianto di elettronica sono orientati verso il posizionamento di componenti attivi strato per strato.

Ma ancora più importante, il nuovo design del biosensore a due livelli ha portato a una sensibilità molte volte superiore.

Un biosensore opera registrando le leggere variazioni dell'indice di rifrazione sulla sua superficie, che sono causati dall'assorbimento di molecole organiche. Queste variazioni vengono rilevate tramite un risonatore le cui condizioni di risonanza dipendono dall'indice di rifrazione del mezzo esterno. Poiché anche le più piccole fluttuazioni dell'indice di rifrazione causano un significativo spostamento del picco di risonanza, un biosensore risponde a quasi ogni molecola che atterra sulla sua superficie.

"Abbiamo posizionato la striscia guida d'onda sotto il risonatore, nel dielettrico sfuso, ", ha affermato il coautore del documento Aleksey Arsenin, un ricercatore leader presso il Laboratorio MIPT di Nanoottica e Plasmonica. "Il risonatore, a sua volta, si trova all'interfaccia tra il substrato dielettrico e l'ambiente esterno. Ottimizzando gli indici di rifrazione dei due mezzi circostanti, otteniamo una sensibilità significativamente più alta."

Il nuovo layout del biosensore proposto ha sia la sorgente che il rivelatore di luce all'interno del dielettrico. L'unica parte che rimane all'esterno è l'elemento sensibile. Questo è, l'anello d'oro di diverse decine di micrometri di diametro e un millesimo di quello di spessore (fig. 1).

Secondo Voronin, il metodo del team per rendere i biosensori più reattivi porterà la tecnologia a un livello qualitativamente nuovo. "Il nuovo layout ha lo scopo di rendere i biosensori molto più facili da produrre, e quindi più conveniente, " disse il fisico. "La litografia ottica è l'unica tecnica necessaria per produrre rivelatori basati sul nostro principio. Non sono coinvolte parti in movimento, e sarà sufficiente un laser sintonizzabile che operi in una gamma di frequenze ristretta."

Valentin Volkov, che dirige il Centro MIPT per la fotonica e i materiali 2-D, stima che ci vorranno circa tre anni per sviluppare un design industriale basato sulla tecnologia proposta.