Gli ingegneri dell'Università della California di San Diego e dell'Università della California di Berkeley hanno creato una tecnologia basata sulla luce in grado di rilevare sostanze biologiche con una massa molecolare inferiore di oltre due ordini di grandezza rispetto a quanto precedentemente possibile. Il progresso è stato reso possibile costruendo un dispositivo che riduce la luce sfruttando le singolarità matematiche note come punti eccezionali (EP).

La ricerca, pubblicato in Fisica della natura , potrebbe portare allo sviluppo di dispositivi ultrasensibili in grado di rilevare rapidamente gli agenti patogeni nel sangue umano e ridurre notevolmente il tempo necessario ai pazienti per ottenere risultati dagli esami del sangue.

"Il nostro obiettivo è superare i limiti fondamentali dei dispositivi ottici e scoprire nuovi principi fisici che possano consentire ciò che in precedenza si pensava impossibile o molto impegnativo, " disse Boubacar Kanté, professore associato di ingegneria elettrica e informatica e scienziato della facoltà presso il Lawrence Berkeley National Laboratory, che ha guidato il lavoro mentre era professore di ingegneria elettrica e informatica alla UC San Diego. "Quello di cui sono davvero entusiasta è la capacità di implementare tali singolarità su una scala così ridotta. I risultati sono sia fondamentalmente entusiasmanti che praticamente importanti".

La lunghezza d'onda della luce è molto più grande della dimensione della maggior parte delle sostanze biologicamente rilevanti. Affinché la luce interagisca fortemente con queste piccole sostanze, la sua lunghezza d'onda deve essere ridotta.

I ricercatori hanno utilizzato plasmoni, che sono piccoli fluidi di onde elettroniche che possono muoversi avanti e indietro in nanostrutture metalliche.

Il gruppo ha posizionato due array di nano-antenna plasmonici uno sopra l'altro con ogni array che produce risonanze plasmoniche che controllano le onde luminose di una certa frequenza. I ricercatori hanno quindi "accoppiato" gli array di nano-antenna, spingendo le due onde a unirsi fino a quando finalmente risuonano alla stessa frequenza e, più criticamente, ha perso energia alla stessa velocità, un momento noto come il punto eccezionale. Questo ha segnato la prima volta che i ricercatori hanno utilizzato gli EP per i plasmoni.

Quando una sostanza esterna entra in contatto con l'EP e disturba i tassi sincronizzati di energia persa, il dispositivo rileva la sostanza con maggiore sensibilità.

"Mentre sono stati esplorati molti metodi per rendere i biosensori più sensibili, l'utilizzo dell'EP di array di nano-antenna plasmonici accoppiati per aumentare la sensibilità è un approccio unico. Altera la relazione di base tra il segnale e la concentrazione target (o numero di copie) da una semplice relazione lineare a un'equazione a radice quadrata, che è la chiave della superba sensibilità del design, " disse Yu-Hwa Lo, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering e coautore dello studio.

Il dispositivo ha rilevato l'anti-immunoglobulina G nel sangue, l'anticorpo più comune nel sangue umano per combattere le infezioni, a un peso molecolare 267 volte più leggero rispetto ai precedenti rapporti che utilizzavano array plasmonici.

L'aggiunta di ulteriori array plasmonici al dispositivo originale potrebbe anche aumentare ulteriormente la sensibilità all'EP, disse Kanté.