Una tecnica che combina l'ultrasensibilità dello scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) con una superficie scivolosa inventata dai ricercatori della Penn State renderà possibile rilevare singole molecole di un certo numero di specie chimiche e biologiche da gas, campioni liquidi o solidi. Questa combinazione di superficie scivolosa e spettroscopia laser aprirà nuove applicazioni nella chimica analitica, diagnostica molecolare, monitoraggio ambientale e sicurezza nazionale.

I ricercatori, guidato da Tak-Sing Wong, assistente professore di ingegneria meccanica e professore di ingegneria all'inizio della carriera della famiglia Wormley, chiamano la loro invenzione PANTOFOLE, che è una combinazione delle superfici porose infuse di liquido di Wong (SLIPS), una superficie di ispirazione biologica basata sulla pianta carnivora asiatica, e SERS.

"Abbiamo cercato di sviluppare una piattaforma di sensori che ci permetta di rilevare sostanze chimiche o biomolecole a livello di singola molecola, indipendentemente dal fatto che siano disperse nell'aria, fase liquida, o legato a un solido, " Ha detto Wong. "Essere in grado di identificare una singola molecola è già piuttosto difficile. Essere in grado di rilevare quelle molecole in tutte e tre le fasi, è davvero una sfida".

Wong aveva bisogno dell'aiuto del borsista postdottorato Shikuan Yang per combinare SERS e SLIPS in un unico processo. Yang è stato addestrato alla spettroscopia Raman nel laboratorio di caratterizzazione del Materials Research Institute di Penn State. La sua esperienza nella tecnica SERS e la conoscenza di Wong degli SLIPS hanno permesso loro di sviluppare la tecnologia SLIPSERS. Il loro lavoro è apparso online il 31 dicembre, 2015 nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

La spettroscopia Raman è un metodo ben noto per analizzare i materiali in forma liquida utilizzando un laser per interagire con le molecole vibranti nel campione. La vibrazione unica della molecola sposta la frequenza dei fotoni nel raggio di luce laser verso l'alto o verso il basso in un modo caratteristico solo di quel tipo di molecola. Tipicamente, il segnale Raman è molto debole e deve essere potenziato in qualche modo per essere rilevato. Negli anni '70, i ricercatori hanno scoperto che l'irruvidimento chimico della superficie di un substrato d'argento ha concentrato il segnale Raman del materiale adsorbito sull'argento, ed è nata la SERS.

Wong ha sviluppato SLIPS come ricercatore post-dottorato all'Università di Harvard. SLIPS è composto da una superficie rivestita con serie regolari di perni su scala nanometrica infusi con un lubrificante liquido che non si mescola con altri liquidi. La piccola distanza dei nanopost intrappola il liquido tra i perni e il risultato è una superficie scivolosa a cui non aderisce nulla.

"Il problema è che cercare di trovare alcune molecole in un mezzo liquido è come cercare un ago in un pagliaio, " ha detto Wong. "Ma se possiamo sviluppare un processo per ridurre gradualmente le dimensioni di questo volume liquido, possiamo ottenere un segnale migliore. Per farlo abbiamo bisogno di una superficie che permetta al liquido di evaporare uniformemente fino a raggiungere la micro o la nanoscala. Altre superfici non possono farlo, ed è qui che entra in gioco SLIPS."

Se una goccia di liquido viene posta su una superficie normale, comincerà a ridursi dall'alto verso il basso. Quando il liquido evapora, le molecole bersaglio vengono lasciate in configurazioni casuali con segnali deboli. Ma se tutte le molecole possono essere raggruppate tra le nanoparticelle d'oro, produrranno un segnale Raman molto forte.

"Per prima cosa dobbiamo usare nanoparticelle conduttive, come l'oro, "Spiegava Shikuan Yang. "E poi dobbiamo assemblarli in modo che creino spazi su scala nanometrica tra le particelle, chiamati punti caldi. Le molecole si legano alle lacune e si forma un campo elettromagnetico molto forte. Se abbiamo un laser con la giusta lunghezza d'onda, gli elettroni oscilleranno e si formerà un forte campo magnetico nell'area del gap. Questo ci dà un segnale molto forte".

Sebbene esistano altre tecniche che consentono ai ricercatori di concentrare le molecole su una superficie, quelle tecniche funzionano principalmente con l'acqua come mezzo. SLIPS può essere utilizzato con qualsiasi liquido organico.

"La nostra tecnica apre maggiori possibilità alle persone di utilizzare altri tipi di solventi per eseguire il rilevamento di SERS a singola molecola, come il rilevamento ambientale in campioni di suolo, " disse Yang. "Se puoi usare solo l'acqua, questo è molto limitante. "In biologia, i ricercatori potrebbero voler rilevare una mancata corrispondenza di una singola coppia di basi nel DNA. La nostra piattaforma darà loro quella sensibilità".

Uno dei prossimi passi sarà quello di rilevare i biomarcatori nel sangue per la diagnosi della malattia nelle primissime fasi del cancro, quando la malattia è più facilmente curabile.

"Abbiamo rilevato una proteina comune, ma non ho ancora rilevato il cancro, " ha detto Yang.

Sebbene la tecnologia SLIPS sia brevettata e concessa in licenza, il team non ha richiesto la protezione del brevetto sul lavoro di SLIPSERS.

"Riteniamo che l'offerta di questa tecnologia al pubblico consentirà di svilupparla a un ritmo molto più rapido, " ha affermato il professor Wong. "Questa è una piattaforma potente da cui pensiamo che molte persone trarranno beneficio".