In chimica analitica, è spesso necessario monitorare accuratamente la variazione di concentrazione di determinate sostanze nei liquidi su una scala temporale di secondi. Soprattutto nell'industria farmaceutica, tali misurazioni devono essere estremamente sensibili e affidabili.

Alla TU Wien è stato sviluppato un nuovo tipo di sensore che è altamente adatto a questo compito e combina diversi importanti vantaggi in un modo unico:basato sulla tecnologia a infrarossi personalizzata, è significativamente più sensibile rispetto ai precedenti dispositivi standard. Inoltre, può essere utilizzato per un'ampia gamma di concentrazioni di molecole e può operare direttamente nel liquido. Questa è la conseguenza della sua robustezza chimica e fornisce quindi dati in tempo reale, cioè in frazioni di secondo. Questi risultati sono stati ora pubblicati in Nature Communications .

Molecole diverse assorbono lunghezze d'onda diverse

"Per misurare la concentrazione di molecole, utilizziamo le radiazioni nell'intervallo spettrale del medio infrarosso", afferma Borislav Hinkov, capo del progetto di ricerca dell'Istituto di elettronica a stato solido della TU Wien. Questa è una tecnica ben nota:le molecole assorbono lunghezze d'onda specifiche nella gamma del medio infrarosso, mentre altre lunghezze d'onda vengono trasmesse senza attenuazione. Pertanto, diverse molecole hanno la loro "impronta digitale a infrarossi" molto specifica. Misurando accuratamente il profilo della forza di assorbimento dipendente dalla lunghezza d'onda, è possibile determinare la concentrazione di una particolare molecola nel campione in un dato momento.

La spettroscopia a infrarossi è stata utilizzata abitualmente per molto tempo nel rilevamento di gas. Il nuovo traguardo del team di TU Wien è l'implementazione di questa tecnologia su un chip sensore delle dimensioni di un dito, che è specificamente adatto per il rilevamento di liquidi. Lo sviluppo di un tale sensore è stata una sfida tecnologica oltre che analitica, perché i liquidi assorbono la radiazione infrarossa molto più forte dei gas. Il sensore liquido compatto è stato realizzato in collaborazione con Benedikt Schwarz dell'Institute of Solid State Electronics e fabbricato nel Center for Micro- and Nanostructures, la camera bianca all'avanguardia della TU Wien.

"Abbiamo bisogno solo di pochi microlitri di liquido per una misurazione", afferma Borislav Hinkov. "E il sensore fornisce dati in tempo reale, molte volte al secondo. Pertanto, possiamo monitorare con precisione un cambiamento di concentrazione in tempo reale e misurare lo stadio attuale di una reazione chimica nel becher. Ciò è in forte contrasto con altre tecnologie di riferimento , dove è necessario prelevare un campione, analizzarlo e attendere fino a pochi minuti per il risultato."

La collaborazione tra diverse discipline è la chiave

Ciò è stato reso possibile da una collaborazione tra i dipartimenti di ingegneria elettrica e chimica della TU Wien:l'Istituto di elettronica a stato solido ha una vasta esperienza nella progettazione e fabbricazione di cosiddetti laser e rivelatori a cascata quantistica. Sono minuscoli dispositivi basati su semiconduttori in grado di emettere o rilevare radiazioni laser a infrarossi con una lunghezza d'onda definita con precisione in base alla loro micro e nanostruttura.

La radiazione infrarossa emessa da tale laser penetra nel liquido su una scala di micrometri e viene quindi misurata dal rivelatore sullo stesso chip. Utilizzando questi laser e rivelatori ultracompatti appositamente combinati, è stato realizzato un dispositivo di rilevamento e le sue prestazioni sono state testate nelle prime misurazioni di prova del concetto. Il lavoro è stato condotto in collaborazione con il gruppo di Bernhard Lendl dell'Institute for Chemical Technologies and Analytics.

Dimostrazione sperimentale:una proteina cambia struttura

Per dimostrare le prestazioni del nuovo sensore nel medio infrarosso, è stata selezionata una reazione biochimica:una nota proteina modello è stata riscaldata, modificandone così la struttura geometrica. Inizialmente, la proteina ha la forma di una spirale a forma di elica, ma a temperature più elevate si dispiega in una struttura piatta. Questo cambiamento geometrico cambia anche il particolare spettro di assorbimento dell'impronta digitale nel medio infrarosso della proteina. "Abbiamo selezionato due lunghezze d'onda adatte e fabbricato sensori adatti basati su cascate quantistiche, che abbiamo integrato in un singolo chip", afferma Borislav Hinkov. "E infatti, si scopre:puoi utilizzare questo sensore per osservare la cosiddetta denaturazione della proteina modello selezionata con alta sensibilità e in tempo reale."

La tecnologia è estremamente flessibile. È possibile regolare le lunghezze d'onda necessarie secondo necessità per studiare diverse molecole. È anche possibile aggiungere ulteriori sensori a cascata quantistica sullo stesso chip per misurare diverse lunghezze d'onda e quindi distinguere simultaneamente la concentrazione di diverse molecole. "Questo apre un nuovo campo nella chimica analitica:la spettroscopia di liquidi nel medio infrarosso in tempo reale", afferma Borislav Hinkov.

Le possibili applicazioni sono estremamente diverse:vanno dall'osservazione dei cambiamenti strutturali delle proteine ​​indotti termicamente e simili cambiamenti strutturali in altre molecole, all'analisi in tempo reale delle reazioni chimiche, ad esempio nella produzione di farmaci o nei processi di produzione industriale. Ovunque vi sia la necessità di monitorare la dinamica delle reazioni chimiche nei liquidi, questa nuova tecnica può apportare importanti vantaggi. + Esplora ulteriormente

Il cane da fiuto quantistico