Anche la più piccola molecola può raccontare una grande storia. Ad esempio, osservare una singola molecola può gettare luce sui processi biologici sottostanti nel corpo umano. Infatti, procedure di imaging molecolare, non invasive e indolori, vengono utilizzate per diagnosticare e gestire il trattamento di COVID-19, cancro, cardiopatia, e altre gravi condizioni di salute.

Una delle tecniche più promettenti per l'imaging di singole molecole è la spettroscopia Raman con superficie potenziata, o SERS. Focalizzando un raggio laser sul campione, SERS rileva i cambiamenti nelle molecole in base a come diffondono la luce, e possono identificare molecole specifiche attraverso i loro spettri Raman unici:una sorta di impronta molecolare. Un vantaggio di SERS è che non è distruttivo e richiede una preparazione minima del campione, in quanto non richiede l'aggiunta di sostanze chimiche o modifiche per effettuare le misurazioni.

In uno studio recentemente pubblicato su Materiale avanzato , gli ingegneri della Johns Hopkins Whiting School of Engineering descrivono un nuovo nanomateriale che consente il rilevamento rapido e altamente sensibile di singole molecole utilizzando il SERS. La loro invenzione potrebbe aprire la strada a test diagnostici rapidi e più accurati.

Per creare il loro nuovo materiale, chiamato DNA-Silicified Template per Raman Optical Beacon o DNA-STROBE, un team guidato da Ishan Barman, professore associato di ingegneria meccanica, cavità ottiche ingegnerizzate di pochi nanometri o meno. Nell'imaging SERS, queste cavità plasmoniche "intrappolano" i raggi di luce convertendo la loro radiazione elettromagnetica in onde elettroniche. Le minuscole nanocavità plasmoniche del team di Barman aumentano esponenzialmente la densità di questa energia elettromagnetica intrappolata, potenzialmente consentendo l'imaging biomolecolare quantitativo a concentrazioni ultrabasse.

"L'efficacia delle misurazioni SERS dipende dall'architettura e dalla riproducibilità delle sonde su scala nanometrica. Se progettate e realizzate con successo, le nostre strutture DNA-STROBE offrono in tempo reale, singola molecola, rilevamento ottico senza etichette che è quasi impossibile da ottenere con qualsiasi piattaforma esistente, " disse Barman, l'autore corrispondente del documento.

I coautori dello studio includono Le Liang e Peng Zheng, entrambi borsisti post-dottorato presso la Johns Hopkins Whiting School of Engineering.

Secondo Barman, Le misurazioni SERS possono offrire approfondimenti senza precedenti su scala nanometrica, che rimane uno sforzo impegnativo per i metodi di imaging convenzionali. L'intensità del segnale SERS dipende dalla dimensione dei gap su nanoscala, noti come "punti caldi". Poiché queste nanocavità confinano l'energia luminosa, più piccoli sono gli spazi, maggiore è il segnale SERS. Però, nanocavità di queste piccole dimensioni sono estremamente difficili (e costose) da fabbricare in modo programmabile e riproducibile, Lui ha spiegato.

Il team di ricerca si è rivolto alla nanotecnologia del DNA per trovare una risposta. Usando il DNA come scaffold, il team ha costruito nanocavità sintetiche delle dimensioni perfette per diventare hotspot. Ma data la natura elastica del DNA, soprattutto la sua propensione a piegarsi e piegarsi, la dimensione delle strutture DNA-STROBE formate potrebbe cambiare, potenzialmente indebolimento del segnale SERS. Così, il team ha incapsulato le strutture DNA-STROBE con un guscio protettivo di silice ultrasottile per prevenire tali fluttuazioni.

Lo studio ha riportato due risultati significativi. Primo, i ricercatori hanno dimostrato di poter fabbricare nanocavità ultra-piccole con un potenziamento elettromagnetico ben controllato e ampio del segnale SERS. Secondo, il loro approccio consente studi di singole molecole anche in campioni biologici con alte concentrazioni di molecole, un ostacolo nella ricerca precedente.

"Siamo stati entusiasti di osservare che DNA-STROBE ha potenziato il segnale Raman, ed era abbastanza forte da consentire il rilevamento in tempo reale e l'imaging a super risoluzione. Questo aprirà sicuramente nuove strade per l'uso dell'analisi SERS, in particolare nelle applicazioni di rilevamento e imaging in cui l'aggiunta di agenti di contrasto e coloranti non è desiderabile o pratico, " ha detto Liang.

Il prossimo passo, dicono i ricercatori, sarà quello di sviluppare una serie di strumenti analitici su misura derivati ​​dal DNA-STROBE per una gamma di applicazioni. Per esempio, il team ritiene che il loro approccio offra una piattaforma all'avanguardia per il rilevamento ultrasensibile dei biomarcatori del cancro circolanti.

"Con una personalizzazione adeguata, il DNA-STROBE potrebbe consentire progressi in un'ampia varietà di campi che vanno dalla diagnostica clinica e dalla ricerca biomedica di base al rilevamento ambientale e alla manipolazione di singole molecole, "aggiunge Barman.