I sensori ottici possono analizzare quantitativamente campioni chimici e biologici misurando ed elaborando i segnali ottici prodotti dai campioni. I sensori ottici basati sulla spettroscopia di assorbimento a infrarossi possono raggiungere un'elevata sensibilità e selettività in tempo reale, e quindi svolgono un ruolo cruciale in una varietà di aree di applicazione come il rilevamento ambientale, diagnostica medica, controllo dei processi industriali e sicurezza interna.

In un nuovo articolo pubblicato su Luce:scienza e applicazioni, un team di scienziati, guidato dal Dr. Peter Q. Liu del Dipartimento di Ingegneria Elettrica, la State University di New York a Buffalo, hanno dimostrato un nuovo tipo di sensore ottico ad alte prestazioni che può utilizzare la tensione superficiale del liquido per concentrare e intrappolare le molecole di analita nei punti più sensibili della struttura del dispositivo, e quindi migliorare significativamente le prestazioni di sensibilità. Basato su una struttura a sandwich metallo-isolante-metallo che presenta anche trincee su scala nanometrica, il sensore può trattenere e concentrare passivamente una soluzione di analita in queste piccole fosse mentre la soluzione evapora gradualmente sulla superficie del sensore, e alla fine intrappolano le molecole di analita precipitate all'interno di queste fosse. Poiché anche l'intensità della luce è molto migliorata in questi trench dal design, l'interazione tra la luce e le molecole di analita intrappolate è drasticamente migliorata, portando a un segnale ottico facilmente rilevabile (cioè cambiamenti nello spettro di assorbimento della luce) anche a livello di picogrammi di massa dell'analita.

Generalmente, diverse specie molecolari assorbono la luce infrarossa a frequenze diverse, e quindi si possono identificare e quantificare le molecole rilevate analizzando le righe di assorbimento osservate nello spettro. Sebbene tale assorbimento molecolare sia intrinsecamente debole, i sensori ottici possono aumentare drasticamente l'assorbimento molecolare impiegando nanostrutture adatte sulla superficie del dispositivo per confinare la luce in volumi molto piccoli (i cosiddetti punti caldi), che porta a un'intensità luminosa molto grande. Così facendo, ogni molecola nei punti caldi può assorbire molta più luce in un dato intervallo di tempo di una molecola al di fuori dei punti caldi, che consente di misurare quantità molto basse di sostanze chimiche o biologiche con elevata affidabilità, se abbastanza molecole si trovano nei punti caldi. Questo approccio generale è anche chiamato assorbimento infrarosso potenziato dalla superficie (SEIRA).

Però, un problema chiave per la maggior parte dei sensori ottici SEIRA è che gli hot-spot occupano solo una piccola parte dell'intera superficie del dispositivo. D'altra parte, le molecole di analita sono generalmente distribuite casualmente sulla superficie del dispositivo, e quindi solo una piccola frazione di tutte le molecole di analita si trova nei punti caldi e contribuisce all'aumento dell'assorbimento della luce. "Il segnale SEIRA sarebbe molto più grande se la maggior parte delle molecole di analita può essere consegnata nei punti caldi di un sensore ottico. Questa è la motivazione chiave del nostro design del sensore ottico". ha detto il dottor Liu.

"Ci sono tecniche, come pinzette ottiche e dielettroforesi, che può manipolare piccole particelle o persino molecole e consegnarle a luoghi target come i punti caldi. Però, queste tecniche richiedono una quantità significativa di input di energia e sono anche complicate da utilizzare." Ha aggiunto il dott. Liu, "Ciò che abbiamo deciso di esplorare è una struttura del dispositivo in grado di intrappolare le molecole di analita precipitate da una soluzione nei punti caldi in modo passivo (che non richiede input di energia) ed efficace, e ci siamo resi conto che possiamo sfruttare la tensione superficiale del liquido per raggiungere questo obiettivo."

Oltre alla dimostrazione del rilevamento di biomolecole ad alta sensibilità, il team ha anche condotto un'altra serie di esperimenti, che ha mostrato che lo stesso tipo di struttura del dispositivo ha anche ottenuto un'efficace intrappolamento delle particelle di liposoma (dimensione caratteristica di ~ 100 nm) nelle piccole trincee. Ciò significa che tali sensori ottici possono essere ottimizzati per rilevare e analizzare nano-oggetti come virus o esosomi, che hanno dimensioni simili ai liposomi utilizzati negli esperimenti.

Gli scienziati ritengono che la strategia di progettazione del sensore ottico SEIRA dimostrata possa essere applicata anche ad altri tipi di sensori ottici. Oltre alle applicazioni di rilevamento, tali strutture di dispositivi possono essere utilizzate anche per manipolare oggetti su scala nanometrica inclusi esosomi, virus e punti quantici.