Utilizzando le caratteristiche ottiche dimostrate per la prima volta dagli antichi romani, ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno creato un romanzo, strumento ultrasensibile per prodotti chimici, DNA, e analisi delle proteine.

"Con questo dispositivo, il rilevamento della spettroscopia nanoplasmonica, per la prima volta, diventa rilevamento colorimetrico, che richiedono solo gli occhi nudi o la normale fotografia a colori visibile, " ha spiegato Logan Liu, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica e di bioingegneria all'Illinois. "Può essere utilizzato per l'imaging chimico, imaging biomolecolare, e integrazione a dispositivi microfluidici portatili per applicazioni lab-on-chip. I risultati del suo team di ricerca sono stati presentati nell'articolo di copertina dell'edizione inaugurale di Materiali ottici avanzati (sezione ottica di Materiale avanzato ).

La coppa Licurgo fu creata dai romani nel 400 d.C. Realizzata in vetro dicroico, la famosa tazza presenta colori diversi a seconda che la luce la attraversi o meno; rosso se illuminato da dietro e verde se illuminato da davanti. È anche l'origine di ispirazione per tutta la ricerca nanoplasmonica contemporanea, lo studio dei fenomeni ottici nelle vicinanze su scala nanometrica delle superfici metalliche.

"Questo effetto dicroico è stato ottenuto includendo minuscole proporzioni di polvere d'oro e d'argento macinata minuziosamente nel vetro, Liu ha aggiunto. "Nella nostra ricerca, abbiamo creato un array ad alta densità di una vasta area di una tazza di Lycurgus su scala nanometrica utilizzando un substrato di plastica trasparente per ottenere il rilevamento colorimetrico. Il sensore è costituito da circa un miliardo di nanocoppe in un array con apertura a lunghezza d'onda inferiore e decorato con nanoparticelle metalliche sulle pareti laterali, aventi forma e proprietà simili a quelle delle coppe di Lycurgus esposte in un museo britannico. Liu e il suo team sono rimasti particolarmente entusiasti delle straordinarie caratteristiche del materiale, producendo una sensibilità 100 volte migliore rispetto a qualsiasi altro dispositivo nanoplasmonico segnalato.

Le tecniche colorimetriche sono attraenti principalmente per il loro basso costo, uso di attrezzature poco costose, requisito di un minor numero di hardware di trasduzione del segnale, e soprattutto, fornendo risultati di facile comprensione. Il sensore colorimetrico può essere utilizzato sia per l'identificazione analitica qualitativa che per l'analisi quantitativa. L'attuale design consentirà inoltre lo sviluppo di nuove tecnologie nel campo dei microarray DNA/proteine.

"Il nostro sensore colorimetrico senza etichetta elimina la necessità di etichettare la fluorescenza problematica di molecole di DNA/proteine, e l'ibridazione della sonda e della molecola bersaglio viene rilevata dal cambiamento di colore del sensore, "dichiarò Manas Gartia, primo autore dell'articolo, "Colorimetria:imaging colorimetrico di risonanza plasmonica utilizzando gli array di coppe Nano Lycurgus". "Il nostro sensore attuale richiede solo una fonte di luce e una fotocamera per completare il processo di rilevamento del DNA. Questo apre la possibilità di sviluppare soluzioni a prezzi accessibili, rivelatore di microarray di DNA basato su telefono cellulare semplice e sensibile nel prossimo futuro. A causa del suo basso costo, semplicità nel design, e alta sensibilità, prevediamo l'uso estensivo del dispositivo per DNA microarrays, screening anticorpale terapeutico per la scoperta di farmaci, e rilevamento di agenti patogeni in un ambiente povero di risorse."

Gartia ha spiegato che l'interazione luce-materia utilizzando array di fori di lunghezza d'onda inferiore dà origine a interessanti fenomeni ottici come la trasmissione ottica avanzata (EOT) mediata dai polaritoni plasmonici superficiali (SPP). In caso di EOT, una quantità di luce superiore al previsto può essere trasmessa attraverso nanofori su film sottili di metallo altrimenti opachi. Poiché il film metallico sottile ha una proprietà ottica speciale chiamata risonanza plasmonica superficiale (SPR) che è influenzata da una piccola quantità di materiali circostanti, tale dispositivo è stato utilizzato come applicazioni di biorilevamento.

Secondo i ricercatori, la maggior parte degli studi precedenti si è concentrata principalmente sulla manipolazione di strutture EOT bidimensionali (2D) nel piano come la regolazione del diametro del foro, forma, o distanza tra i fori. Inoltre, la maggior parte degli studi precedenti riguarda solo i fori diritti. Qui, l'EOT è mediato principalmente da SPP, che limita la sensibilità e la cifra di merito ottenibile da tali dispositivi.

"Il nostro progetto attuale impiega una struttura plasmonica di array di fori periodici con lunghezza d'onda inferiore a 3D. In contrasto con l'EOT mediato da SPP, la struttura proposta si basa sull'EOT mediato da Localized Surface Plasmon (LSP), " Gartia ha detto. "Il vantaggio degli LSP è che la trasmissione potenziata a diverse lunghezze d'onda e con diverse proprietà di dispersione può essere sintonizzata controllando la dimensione, forma, e materiali dei fori 3D. La geometria rastremata convoglierà e focalizzerà adiabaticamente i fotoni sulla struttura plasmonica a lunghezza d'onda inferiore nella parte inferiore, portando a un grande campo elettrico locale e al miglioramento dell'EOT.

"In secondo luogo, la risonanza localizzata supportata dalla struttura plasmonica 3D consentirà la sintonizzazione a banda larga della trasmissione ottica attraverso il controllo della forma, dimensione, e il periodo dei fori così come la forma, dimensione, e periodo di particelle metalliche decorate alle pareti laterali. In altre parole, avremo più controllo sulla sintonizzazione delle lunghezze d'onda di risonanza del sensore".