(Phys.org) -- I biosensori ottici senza etichetta consentono il monitoraggio delle biomolecole e delle loro interazioni in saggi diagnostici spesso altamente sensibili. Diversi metodi sono stati impiegati a questo scopo, incluso il biorilevamento in modalità Whispering Gallery (WGM), che offre un approccio particolarmente sensibile per quantificare il carico di massa delle biomolecole sulla superficie del risonatore con sensibilità ultima stimata a livello della singola molecola. Il biosensore WGM più semplice è una microsfera di vetro (tipicamente di 50–100 mm di diametro) in cui la luce risonante rimane confinata dalla riflessione interna totale.

I sensori WGM traggono la loro sensibilità senza precedenti dall'uso di risonanze ottiche ad alto fattore di qualità (fattore Q) per monitorare i segnali di spostamento della lunghezza d'onda dopo il legame di biomolecole o nanosfere alla superficie del risonatore. È stato possibile rilevare anche un singolo virus. Ancora, se ad es. deve essere rilevata una singola molecola proteica, la sensibilità deve essere aumentata. Ci sono stati diversi approcci, come la generazione di punti caldi utilizzando un concetto di rilevamento ibrido fotonico-plasmonico con uno strato di nanoparticelle d'oro (NP) accoppiato a un biosensore WGM. Però, ci sono alcuni inconvenienti:primo, le misurazioni non possono essere eseguite direttamente in soluzione. Secondo, l'analisi in tempo reale non è possibile poiché le proteine ​​devono essere pre-adsorbite sulle NP. Terzo, le proteine ​​vengono adsorbite casualmente all'interno dello strato NP – al di fuori dei siti di potenziamento del campo plasmonico – il che riduce la sensibilità di rilevamento.

Un team tedesco-americano guidato da Frank Vollmer e Melik C. Demirel propone ora un concetto alternativo per superare questi problemi:intrappolamento ottico di molecole proteiche nei siti di miglioramenti del campo plasmonico in uno strato casuale di NP d'oro. L'integrazione stabile del biosensore a microsfere WGM con uno strato NP d'oro bagnato è fondamentale per ottenere un rilevamento ultrasensibile. Perciò, la cavità della microsfera di silice rimane fissata sullo strato Au NP. Il fattore Q della microsfera scende leggermente ma è ancora nell'intervallo 105. Dopo aver aggiunto la soluzione di albumina di siero bovino (BSA) a microlitri di volumi di campione, che entra nello strato NP per aspirazione capillare, i ricercatori hanno osservato uno spostamento significativo della lunghezza d'onda inaspettatamente grande.

La sensibilità raggiunta nell'ordine dei livelli di concentrazione di femtomole è stata molto sorprendente, e non può essere spiegato dal legame casuale delle molecole BSA alla superficie NP. Anziché, gli scienziati hanno ipotizzato che le molecole proteiche preferiscano legarsi a posizioni hotspot (cioè NP casuali ravvicinate) di risonanze plasmoniche eccitate nello strato NP a causa dell'intrappolamento ottico. Per convalidare questa ipotesi, hanno calcolato la distribuzione del campo elettromagnetico in uno strato NP modello utilizzando la teoria di Mie generalizzata e hanno simulato lo spostamento della lunghezza d'onda previsto dovuto al legame delle proteine. I loro calcoli hanno mostrato che, infatti, l'intrappolamento ottico delle proteine ​​in posizioni hotspot plasmoniche altamente sensibili è essenziale per ottenere un'elevata sensibilità nel biosensore di microcavità.

La sensibilità raggiunta nell'ordine dei livelli di concentrazione di femtomole è stata molto sorprendente, e non può essere spiegato dal legame casuale delle molecole BSA alla superficie NP. Anziché, gli scienziati hanno ipotizzato che le molecole proteiche preferiscano legarsi a posizioni hotspot (cioè NP casuali ravvicinate) di risonanze plasmoniche eccitate nello strato NP a causa dell'intrappolamento ottico. Per convalidare questa ipotesi, hanno calcolato la distribuzione del campo elettromagnetico in uno strato modello NP utilizzando la teoria di Mie generalizzata e hanno simulato lo spostamento della lunghezza d'onda previsto dovuto al legame delle proteine. I loro calcoli hanno mostrato che, infatti, l'intrappolamento ottico delle proteine ​​in posizioni hotspot plasmoniche altamente sensibili è essenziale per ottenere un'elevata sensibilità nel biosensore di microcavità.

Il gruppo, composto da scienziati della Pennsylvania State University (USA), presso BASF SE (Ludwigshafen, Germania), il Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, STATI UNITI D'AMERICA), e il Max Planck Institute for the Science of Light (Erlangen, Germania), ha stabilito una nuova strada promettente verso la risoluzione di singole molecole nei biosensori WGM accoppiati a nanoantenne plasmoniche ingegnerizzate o casuali. L'utilizzo di uno strato NP casuale ha il vantaggio dell'integrazione in un dispositivo microfluidico, e le NP d'oro possono essere facilmente funzionalizzate con elementi di riconoscimento come oligonucleotidi o proteine. L'approccio potrebbe essere di interesse per molte aree, tra cui il biorilevamento medico e lo screening dei farmaci.