In un futuro non troppo lontano, le persone possono avere un semplice dispositivo che monitora e segnala gli indicatori di salute, identifica anche tracce di biomarcatori indesiderati nel sangue o nella saliva e funge da sistema di allerta precoce per le malattie. Questa è una delle promesse della medicina personalizzata.

Una tale rivoluzione tecnologica potrebbe essere un passo avanti grazie a un potente strumento sviluppato dai ricercatori del laboratorio BioNanoPhotonic Systems (BIOS) dell'EPFL. Si compone di un ultrasottile, chip ottico miniaturizzato accoppiato con una fotocamera CMOS standard e alimentato dall'analisi delle immagini, che conta le biomolecole singolarmente in un campione e ne determina la posizione. La loro ricerca è stata pubblicata in Fotonica della natura .

Un sensore molto potente

Questa tecnologia si basa su metasuperfici, un recente sviluppo nel campo della fotonica. Le metasuperfici sono fogli di materiali artificiali ricoperti da milioni di elementi di dimensioni nanometriche disposti in modo speciale. A una certa frequenza, questi elementi sono in grado di spremere la luce in volumi estremamente ridotti, creazione di hotspot ottici ultrasensibili.

Quando la luce brilla sulla metasuperficie e colpisce una molecola in uno di questi punti caldi, la molecola viene rilevata immediatamente. Infatti, la molecola si tradisce cambiando la lunghezza d'onda della luce che la colpisce.

Scansionare le molecole e scattare loro una foto

Illuminando luci colorate di diversi colori sulla metasuperficie e scattando una foto ogni volta con una fotocamera CMOS, i ricercatori sono in grado di contare il numero di molecole in un campione e apprendere esattamente cosa sta succedendo sul chip del sensore. "Utilizziamo quindi strumenti intelligenti di data science per analizzare i milioni di pixel CMOS ottenuti attraverso questo processo e identificare le tendenze, " dice Filiz Yesilkoy, il primo autore dell'articolo. "Abbiamo dimostrato che possiamo rilevare e visualizzare non solo le singole biomolecole negli hotspot, ma anche un singolo foglio di grafene dello spessore di un solo atomo".

Portando il loro lavoro un passo avanti, i ricercatori hanno sviluppato una seconda versione del loro sistema, con metasuperfici programmate per risuonare a diverse lunghezze d'onda in diverse regioni. "Questa tecnica è più semplice, eppure è anche meno preciso nel localizzare le molecole, " dice Eduardo R. Arvelo, uno dei coautori dell'articolo.

Hatice Altug, che gestisce il laboratorio BIOS e guida il progetto presso la Scuola di Ingegneria, vede un immenso potenziale nel campo dell'ottica. "La luce possiede molti attributi, come l'intensità, fase e polarizzazione – ed è in grado di attraversare lo spazio. Ciò significa che i sensori ottici potrebbero svolgere un ruolo importante nell'affrontare le sfide future, in particolare nella medicina personalizzata".