I codici a barre ottici consentono il rilevamento e il tracciamento tramite impronte digitali spettrali univoche. Sono stati ampiamente applicati in aree che vanno dai biotest multiplex e dall'etichettatura cellulare all'anticontraffazione e alla sicurezza. Yu-Cheng Chen del Bio+Intelligent Photonics Laboratory presso la Nanyang Technological University osserva che il concetto di codici a barre ottici si riferisce tipicamente a un pattern spettrale fisso corrispondente a un singolo target.

"I codici a barre ottici non hanno la capacità di caratterizzare i cambiamenti dinamici in risposta agli analiti nel tempo, " dice Chen. Grazie alla ricerca di Chen, che sta per cambiare.

Il gruppo di Chen ha recentemente sviluppato codici a barre dinamici bioresponsive, introducendo il concetto di trasferimento di energia per risonanza all'interfaccia della microcavità. Come riportato in Fotonica avanzata , il team ha dimostrato sperimentalmente il codice a barre per rilevare le molecole in una gocciolina. L'energia radiativa di una singola microgoccia viene trasferita alle biomolecole leganti, convertire le informazioni biomolecolari dinamiche in più di trilioni di codici a barre fotonici distintivi.

Trasferimento di energia radiativa potenziato dalla cavità

Il sistema si basa su un risonatore in modalità sussurro-galleria (WGMR). La maggior parte dei WGMR è classificata come passiva. Come tale, richiedono un accoppiamento d'onda evanescente e operano in base a cambiamenti di modalità indotti da perturbazioni. "In contrasto, " spiega Chen, "i risonatori attivi che utilizzano l'analita come mezzo di guadagno possono supportare l'eccitazione e la raccolta nello spazio libero per acquisire più informazioni biologiche dai segnali di emissione".

Secondo Chen, il problema quando si considera il rilevamento molecolare è il fattore di occupazione della modalità dell'analita all'esterno della cavità:è solo a pochi decimi da quello all'interno della cavità, portando a un fattore Q effettivo ridotto e a un rapporto segnale/rumore insoddisfacente. Il concetto di trasferimento di energia risonante separa le molecole donatrici e le molecole accettore all'interfaccia della cavità, dove avviene il trasferimento di energia radiativa. Il trasferimento di energia radiativa è accompagnato da radiazione elettromagnetica (a differenza del trasferimento di energia di risonanza di fluorescenza non radiativa convenzionale, noto come FRET). A causa di quella radiazione, il trasferimento di energia può avvenire anche in situazioni in cui il donatore e l'accettore sono separati.

"In presenza di meccanismi potenziati dalla cavità, un efficiente trasferimento di energia e l'accoppiamento tra donatori e accettori possono portare a interazioni luce-materia e un rapporto segnale-rumore migliorati, "dice Chen.

Il sistema sviluppato sfrutta un effetto per cui l'elevata concentrazione di colorante (donatore) all'interno della microgoccia innesca un trasferimento di energia potenziato dalla cavità per eccitare le molecole (accettore) attaccate all'interfaccia della cavità.

"Quando le biomolecole si legano all'interfaccia della cavità, il numero di molecole leganti altera la quantità di trasferimento di energia, con conseguente distinti picchi di emissione di fluorescenza modulata, " afferma Chen. Il codice a barre spettrale dinamico è stato ottenuto grazie a un significativo miglioramento del rapporto segnale-rumore in seguito al legame con le molecole bersaglio.

Secondo gli autori, questo sistema di codifica biomolecolare illumina un faro per l'interazione intermolecolare in tempo reale e può aumentare notevolmente la complessità di un sistema di codifica. Ritengono che il concetto possa essere ampiamente applicato in molte applicazioni di biorilevamento e crittografia ottica.