Man mano che emergono e si diffondono nuove malattie infettive, uno dei migliori colpi contro i nuovi agenti patogeni è trovare nuovi farmaci o vaccini. Ma prima che i farmaci possano essere usati come potenziali cure, devono essere accuratamente vagliati per la composizione, sicurezza e purezza, tra l'altro. Così, c'è una crescente domanda di tecnologie in grado di caratterizzare i composti chimici in modo rapido e in tempo reale.

Rispondendo a questo bisogno insoddisfatto, i ricercatori della Texas A&M University hanno ora inventato una nuova tecnologia in grado di ridimensionare drasticamente l'apparato utilizzato per la spettroscopia Raman, una tecnica ben nota che utilizza la luce per identificare la composizione molecolare dei composti.

"Le configurazioni da banco Raman possono essere lunghe fino a un metro a seconda del livello di risoluzione spettroscopica necessario, " ha detto il dottor Pao-Tai Lin, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali. "Abbiamo progettato un sistema che può potenzialmente sostituire questi ingombranti banchi da lavoro con un minuscolo chip fotonico che può adattarsi perfettamente alla punta di un dito".

Inoltre, Lin ha affermato che il loro innovativo dispositivo fotonico è anche in grado di fornire un alto rendimento, caratterizzazione chimica in tempo reale e nonostante le sue dimensioni, è almeno 10 volte più sensibile dei tradizionali sistemi di spettroscopia Raman da banco.

Una descrizione del loro studio è nel numero di maggio della rivista Chimica analitica .

La base della spettroscopia Raman è la diffusione della luce da parte delle molecole. Quando viene colpito dalla luce di una certa frequenza, le molecole eseguono una danza, ruotando e vibrando assorbendo l'energia dal raggio incidente. Quando perdono la loro energia in eccesso, le molecole emettono una luce a bassa energia, che è caratteristico della loro forma e dimensione. Questa luce diffusa, noto come spettro Raman, contiene le impronte digitali delle molecole all'interno di un campione.

I tipici banchi da banco per la spettroscopia Raman contengono un assortimento di strumenti ottici, comprese lenti e reticoli, per manipolare la luce. Questi componenti ottici "a spazio libero" occupano molto spazio e costituiscono una barriera per molte applicazioni in cui è richiesto il rilevamento di sostanze chimiche all'interno di piccoli spazi o luoghi difficili da raggiungere. Anche, i piani di lavoro possono essere proibitivi per la caratterizzazione chimica in tempo reale.

In alternativa ai tradizionali sistemi da banco da laboratorio, Lin e il suo team si sono rivolti a condotti simili a tubi, chiamate guide d'onda, che può trasportare la luce con pochissima perdita di energia. Sebbene molti materiali possano essere utilizzati per realizzare guide d'onda ultrasottili, i ricercatori hanno scelto un materiale chiamato nitruro di alluminio poiché produce un segnale di fondo Raman basso ed è meno probabile che interferisca con il segnale Raman proveniente da un campione di prova di interesse.

Per creare la guida d'onda ottica, i ricercatori hanno impiegato una tecnica utilizzata dall'industria per disegnare schemi di circuiti su wafer di silicio. Primo, usando la luce ultravioletta, hanno filato un materiale fotosensibile, chiamato NR9, su una superficie di silice. Prossimo, utilizzando molecole di gas ionizzato, hanno bombardato e rivestito di nitruro di alluminio lungo lo schema formato dall'NR9. Finalmente, hanno lavato l'assemblea con acetone, lasciando dietro di sé una guida d'onda in alluminio di appena decine di micron di diametro.

Per testare la guida d'onda ottica come sensore Raman, il team di ricerca ha trasportato un raggio laser attraverso la guida d'onda di nitruro di alluminio e ha illuminato un campione di prova contenente una miscela di molecole organiche. Esaminando la luce diffusa, i ricercatori hanno scoperto che potevano discernere ogni tipo di molecola all'interno del campione in base agli spettri Raman e con una sensibilità di almeno 10 volte superiore rispetto ai tradizionali banchi Raman.

Lin ha notato poiché le loro guide d'onda ottiche hanno una larghezza molto fine, molti di essi possono essere caricati su un singolo chip fotonico. Questa architettura, Egli ha detto, è molto favorevole all'alto rendimento, rilevamento chimico in tempo reale necessario per lo sviluppo di farmaci.

"Il nostro design della guida d'onda ottica fornisce una nuova piattaforma per monitorare rapidamente la composizione chimica dei composti, affidabile e continuo. Anche, queste guide d'onda possono essere facilmente prodotte su scala industriale sfruttando le tecniche già esistenti per realizzare dispositivi a semiconduttore, " ha detto Lin. "Questa tecnologia, noi crediamo, ha un vantaggio diretto non solo per le industrie farmaceutiche ma anche per altre industrie, come il petrolio, dove i nostri sensori possono essere posizionati lungo i tubi sotterranei per monitorare la composizione degli idrocarburi".