(Phys.org) —Nell'ultimo mezzo secolo, i biosensori hanno aperto una nuova finestra sul mondo fisico, rivoluzionando gran parte della società moderna.

Utilizzando un sistema elettronico o ottico, i biosensori rilevano e interagiscono con i componenti dei materiali biologici, che permette di analizzare il DNA, misurare il contenuto di glucosio nel sangue, rilevare le biotossine nell'acqua e nell'atmosfera e molto altro ancora.

Le vendite di biosensori hanno raggiunto $ 8,5 miliardi in tutto il mondo nel 2012 e si prevede che raddoppieranno a $ 16,8 entro il 2018. Gli Stati Uniti, con 2,6 miliardi di dollari di vendite nel 2012, guida il mercato mondiale.

Yongkang Gao ha trascorso gran parte degli ultimi tre anni utilizzando la nanotecnologia per migliorare la velocità, efficienza e sensibilità dei biosensori riducendone drasticamente le dimensioni e il costo di funzionamento.

Il suo obiettivo è trasformare i biosensori di risonanza plasmonica di superficie (SPR) relativamente ingombranti di oggi, che occupano la maggior parte di un desktop, in biosensori nanoplasmonici che possono essere tenuti in mano e possono eseguire centinaia di test:medici, ambientale o altro—alla volta.

Gao, che ha completato il suo dottorato di ricerca. in ingegneria elettrica a gennaio e ora è ricercatore presso i laboratori Bell nel New Jersey, è l'autore principale di un articolo che un team di ricercatori di ingegneria Lehigh ha pubblicato di recente sulla rivista Laboratorio su un chip . Il gruppo ha anche contribuito all'immagine di copertina del numero.

Intitolato "Matrici di sensori interferometrici plasmonici per il rilevamento biomolecolare senza etichetta ad alte prestazioni, " l'articolo è stato scritto insieme a Zheming Xin, Beibei Zeng, Qiaoqiang Gan, Xuanhong Cheng e Nocciola J. Bartoli. Xin e Zeng sono Ph.D. candidati. Gan, che ha conseguito il dottorato di ricerca da Lehigh nel 2010, è un assistente professore di ingegneria elettrica presso la State University di New York a Buffalo. Bartolo, la cattedra di ingegneria elettrica e informatica di Chandler Weaver, è il dottorato di ricerca di Gao. consulente e guida il progetto. Cheng, il P.C. Rossin Assistant Professor nel dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali, è direttore del laboratorio di micro e nanotecnologie per la diagnostica e la biologia di Lehigh.

Migliorare il "gold standard"

Gli scienziati hanno compiuto grandi progressi negli ultimi decenni con biosensori etichettati che utilizzano un recettore attaccato a una molecola fluorescente per colpire le biomolecole. Quando si verifica il legame tra le molecole bersaglio e quelle recettoriali, l'etichetta fluorescente emette un segnale luminoso il cui colore fornisce informazioni sull'identità delle due molecole che si stanno legando e sulla forza del legame.

Più recentemente, gli scienziati hanno sviluppato un approccio di rilevamento privo di etichette, che misura un semplice cambiamento nel segnale ottico o elettrico per determinare quali molecole si sono legate e quanto sono forti i loro legami. Senza l'uso di processi di etichettatura dispendiosi in termini di tempo e denaro, i ricercatori hanno dimostrato il biorilevamento senza etichetta che è semplice e veloce, e ciò elimina qualsiasi interferenza indesiderata tra etichette e biomolecole.

Tecnologia SPR, che è stato utilizzato commercialmente per più di 20 anni, rappresenta l'attuale "gold standard" per il biorilevamento senza etichetta, dice Gao. I biosensori SPR possono monitorare il legame biomolecolare in tempo reale fornendo informazioni sulla cinetica del legame, affinità, specificità e concentrazione, il tutto senza l'uso di etichettatura. I sensori sono ampiamente utilizzati nei test antidroga, diagnostica, proteomica (lo studio delle proteine ​​negli organismi viventi) e immunologia.

Ma il design dell'accoppiamento prisma utilizzato nella maggior parte dei sistemi di biosensori SPR, dice Bartolo, richiede una strumentazione ingombrante, complesso e costoso, limitandone l'uso principalmente alle applicazioni di ricerca di laboratorio.

Per superare questi limiti, i ricercatori si stanno rivolgendo alle nanotecnologie. Progressi nelle tecniche di fabbricazione, dice Gao, hanno permesso di costruire, su un chip, nanostrutture che hanno dimensioni simili a quelle delle onde luminose visibili, o circa 400-700 nanometri (1 nm è un miliardesimo di metro). Ma mentre questi dispositivi su scala nanometrica sono più piccoli, più semplice ed economico dei biosensori SPR convenzionali, finora sono uno o due ordini di grandezza meno sensibili.

Combinando due nuovi approcci, architetture nanoplasmoniche e interferometria, il gruppo Lehigh è riuscito a mantenere la semplicità dei biosensori su nanoscala migliorando la risoluzione del sensore a livelli quasi altrettanto sensibili di quelli raggiunti dai sistemi SPR commerciali.

Le architetture plasmoniche sono basate su polaritoni plasmonici di superficie (SPP), un tipo di onda elettromagnetica che si genera quando un raggio di luce si accoppia con un'onda oscillante di elettroni nella superficie di un metallo. L'interferometria è una tecnica sperimentale che utilizza l'interferenza delle onde luminose per fornire informazioni sui cambiamenti dell'indice di rifrazione, irregolarità superficiali e altri fenomeni che coinvolgono l'interazione di luce e materia.

"L'interazione risonante delle onde luminose con gli elettroni oscillanti, "dice Gao, "fa sì che le onde siano altamente confinate su una superficie metallica. Questo crea un forte campo ottico all'interno di un volume su scala nanometrica, che è particolarmente adatto per il rilevamento biomolecolare. Gli SPP sono stati scoperti mezzo secolo fa, ma è solo di recente, con la maturazione delle tecniche di nanofabbricazione, che gli ingegneri sono stati in grado di sfruttare le nanostrutture plasmoniche per controllare liberamente le interazioni tra onde luminose ed elettroni".

Nel tentativo di migliorare la sensibilità del suo dispositivo di rilevamento nanoplasmonico, the Lehigh group has focused on several goals—achieving a much narrower sensing peak line width, a higher spectral contrast and a larger peak shift for a moderate refractive index change.

After performing 3-D numerical simulations to test and optimize various parameters, the Lehigh group etched a 600-nm-diameter nanohole and three surrounding concentric grooves into a 300-nm-thick gold film deposited onto a glass substrate. This geometry, says Gao, achieved the proposed research goals and obtained greater sensitivity and imaging than the nanohole array sensors developed by other researchers.

"Other researchers investigating nanoplasmonic sensors have been limited by a very broad line width, " he says. "We want a much narrower line width, as well as a high spectral contrast and an intense transmission peak."

When the Lehigh researchers illuminated their device with a collimated white light beam, the light coupled with electrons in the concentric grooves to form SPPs, which propagated toward the nanohole in the center. Là, the SPPs interfere with the light beam being transmitted through the hole.

"By careful structural tuning, " the researchers wrote in Lab on a Chip, "we can effectively control the phase and intensity properties of interfering SPPs and light waves to generate spectral fringes with high contrast, narrow line width and large amplitude, all key characteristics to achieve optimized spectral sensing."

"By controlling the size of the hole, " says Gao, "we control the intensity of the free-space light that is directly transmitted through the hole. By controlling the size of the grooves, we control the intensity of the SPPs to delicately balance two components and produce an interference pattern with large spectral contrast and narrow linewidth."

The resolution recorded by the group (0.4 picograms per mm-2) compares favorably with the resolution of commercial SPR systems (0.1 picograms per mm-2) but has the advantage of a sensor footprint that is smaller by two orders of magnitude.

Inoltre, the Lehigh device has the potential to achieve simultaneous measurement from a high-density array of 144 sensors and, when combined with CCD imaging, is predicted to have significantly higher throughput as well.

"This is a very simple optical transmission geometry, " says Bartoli, "and it transforms the SPR from an expensive, bulky system to a low-cost monitoring platform without sacrificing performance.

"We believe our success promises revolutionary advances in low-cost, portable biomedical devices for point-of-care diagnostics and personalized healthcare applications, and also in other high-throughput sensing applications in proteomics, diagnostics, drug discovery and fundamental cell biology research."