Due giovani ricercatori che lavorano presso il Laboratorio MIPT di Nanoottica e Plasmonica, Dmitry Fedyanin e Yury Stebunov, hanno sviluppato un ultracompatto, sensore nanomeccanico altamente sensibile per l'analisi della composizione chimica delle sostanze e il rilevamento di oggetti biologici, come marcatori di malattie virali, che compaiono quando il sistema immunitario risponde a malattie incurabili o difficili da curare, compreso l'HIV, epatite, herpes, e molti altri. Il sensore consentirà ai medici di identificare i marcatori tumorali, la cui presenza nel corpo segnala l'emergere e la crescita di tumori cancerosi.

La sensibilità del nuovo dispositivo è caratterizzata al meglio da una caratteristica chiave:secondo i suoi sviluppatori, il sensore è in grado di rilevare in tempo reale variazioni di pochi kilodalton nella massa di un cantilever. Un Dalton è all'incirca la massa di un protone o di un neutrone, e diverse migliaia di Dalton sono la massa delle singole proteine ​​e molecole di DNA. Quindi il nuovo sensore ottico consentirà di diagnosticare le malattie molto prima che possano essere rilevate con qualsiasi altro metodo, che aprirà la strada a una diagnostica di nuova generazione.

Il dispositivo, descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici , è un ottico o, più precisamente, chip optomeccanico. "Seguiamo da tempo i progressi compiuti nello sviluppo di biosensori micro e nanomeccanici, e posso dire che nessuno è stato in grado di introdurre una tecnologia semplice e scalabile per il monitoraggio parallelo che sarebbe pronta per l'uso al di fuori di un laboratorio. Quindi il nostro obiettivo non era solo quello di ottenere l'elevata sensibilità del sensore e renderlo compatto, ma anche renderlo scalabile e compatibile con le tecnologie standard di microelettronica, " hanno detto i ricercatori.

A differenza di dispositivi simili, il nuovo sensore non ha giunzioni complesse e può essere prodotto attraverso una tecnologia di processo CMOS standard utilizzata nella microelettronica. Il sensore non ha un solo circuito, e il suo design è molto semplice. Consiste di due parti:una guida a nanoonde fotonica (o plasmonica) per controllare il segnale ottico, e un cantilever sospeso sopra la guida d'onda.

un cantilever, o raggio, è una striscia lunga e sottile di dimensioni microscopiche (5 micrometri di lunghezza, 1 micrometro di larghezza e 90 nanometri di spessore), collegato saldamente a un chip. Per avere un'idea di come funziona, immagina di premere saldamente un'estremità di un righello sul bordo di un tavolo e lasciare che l'altra estremità penda liberamente in aria. Se spezzi l'estremità libera con l'altra mano, il righello farà oscillazioni meccaniche ad una certa frequenza. Ecco come funziona il cantilever. La differenza tra le oscillazioni del righello e del cantilever è solo la frequenza, che dipende dai materiali e dalla geometria:mentre il righello oscilla a diverse decine di hertz, la frequenza delle oscillazioni del cantilever è misurata in megahertz. In altre parole, fa qualche milione di oscillazioni al secondo.

Ci sono due segnali ottici che attraversano la guida d'onda durante le oscillazioni:il primo mette in movimento il cantilever, e la seconda permette di leggere il segnale contenente le informazioni sul movimento. Il campo elettromagnetico disomogeneo del modo ottico del segnale di controllo trasmette un momento di dipolo al cantilever, impattando contemporaneamente il dipolo in modo che il cantilever inizi a oscillare.

Il segnale di controllo modulato sinusoidalmente fa oscillare il cantilever con un'ampiezza fino a 20 nanometri. Le oscillazioni determinano i parametri del secondo segnale, la cui potenza di uscita dipende dalla posizione del cantilever.

Le modalità ottiche altamente localizzate delle guide a nanoonde, che creano un forte gradiente di intensità del campo elettrico, sono fondamentali per indurre oscillazioni a sbalzo. Poiché le variazioni del campo elettromagnetico in tali sistemi sono misurate in decine di nanometri, i ricercatori usano il termine "nanofotonica". Senza la guida d'onda su scala nanometrica e il cantilever, il chip semplicemente non funzionerebbe. Un grande cantilever non può essere fatto oscillare propagando liberamente la luce, e gli effetti dei cambiamenti chimici sulla sua superficie sulla frequenza di oscillazione sarebbero meno evidenti..

Le oscillazioni a sbalzo consentono di determinare la composizione chimica dell'ambiente in cui è collocato il chip. Questo perché la frequenza delle vibrazioni meccaniche dipende non solo dalle dimensioni e dalle proprietà dei materiali, ma anche sulla massa del sistema oscillatorio, che cambia durante una reazione chimica tra il cantilever e l'ambiente. Mettendo diversi reagenti sul cantilever, i ricercatori lo fanno reagire con sostanze specifiche o addirittura oggetti biologici. Se metti anticorpi contro determinati virus sul cantilever, catturerà le particelle virali nell'ambiente analizzato. Le oscillazioni si verificheranno con un'ampiezza inferiore o superiore a seconda del virus o dello strato di sostanze chimicamente reattive sul cantilever, e l'onda elettromagnetica che passa attraverso la guida d'onda sarà dispersa dal cantilever in modo diverso, che può essere visto nelle variazioni dell'intensità del segnale di lettura.

I calcoli effettuati dai ricercatori hanno dimostrato che il nuovo sensore combinerà un'elevata sensibilità con una relativa facilità di produzione e dimensioni miniaturizzate, consentendone l'utilizzo in tutti i dispositivi portatili, come smartphone, elettronica indossabile, ecc. Un chip, di diversi millimetri di dimensioni, può ospitare diverse migliaia di tali sensori, configurato per rilevare diverse particelle o molecole. Il prezzo, grazie alla semplicità del design, molto probabilmente dipenderà dal numero di sensori, essendo molto più conveniente rispetto ai suoi concorrenti.