Un team di ricercatori dell'Istituto per i sistemi optoelettronici e la microtecnologia dell'Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha progettato un biosensore in grado di identificare proteine e peptidi in quantità pari a un singolo monostrato. Per questo, un'onda acustica superficiale (SAW), una sorta di nano terremoto controllato elettricamente su un chip, viene generata con un trasduttore integrato per agire su una pila di materiali 2D rivestiti con le biomolecole da rilevare.
Come riportano sulla rivista Biosensors and Bioelectronics in un articolo intitolato "Sensore plasmonico in grafene guidato da onde acustiche superficiali per l'impronta digitale di biostrati ultrasottili fino al limite del monostrato", il SAW incresparebbe la superficie di uno stack a base di grafene in modo tale da confinare la luce del medio infrarosso a volumi molto piccoli, migliorando le interazioni luce-materia su scala nanometrica.
In particolare, quasiparticelle che sono in parte luce (fotoni) e in parte materia (elettroni e vibrazioni reticolari), chiamate polaritoni plasmone-fononi superficiali, si formano nella pila increspata interagendo fortemente con le molecole in cima.
Le molecole organiche assorbono determinate lunghezze d'onda della luce nella gamma del medio infrarosso che sono caratteristiche della loro composizione chimica e struttura. Pertanto, questo insieme di risonanze di assorbimento, chiamato impronta vibrazionale, consente l'identificazione del composto organico.
"Rafforzando l'interazione tra la luce e le biomolecole depositate sulla parte superiore del sensore, saremmo in grado di identificare analiti che richiedono quantità minori, raggiungendo livelli fino a un singolo monostrato", afferma Raúl Izquierdo, primo autore di questo studio.
Secondo Jorge Pedrós, scienziato a capo dello studio, "Un vantaggio di questo meccanismo è che le SAW sono controllate attivamente attraverso una tensione ad alta frequenza, consentendo di passare facilmente tra una configurazione ON, in cui l'interazione è aumentata, e una configurazione OFF, senza alcun miglioramento del segnale. Questo schema di misurazione aumenta la risoluzione del sensore."
"Oltre alla progettazione del sensore e ai calcoli delle sue prestazioni, forniamo anche un metodo matematico per estrarre informazioni quantitative apparentemente nascoste, aumentando ulteriormente la sensibilità del sensore", afferma Izquierdo.
Per questo, le molecole dell'analita e i polaritoni plasmone-fononi superficiali sono modellati come oscillatori che interagiscono tra loro, mentre entrambi sono guidati da una forza esterna (luce incidente sul sensore). Nonostante la sua semplicità, è stato dimostrato che questo modello riproduce bene i risultati dei calcoli.
Per concludere, Pedrós afferma:"Siamo fiduciosi che questo studio contribuirà allo sviluppo di nuovi dispositivi lab-on-chip, combinando la capacità di rilevamento delle impronte digitali di questo nuovo biosensore basato su SAW con altre funzionalità acustiche come il rilevamento di massa basato su SAW o flusso e miscelazione di goccioline in circuiti microfluidici."
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Raúl Izquierdo-López et al, Sensore plasmonico in grafene guidato da onde acustiche superficiali per l'impronta digitale di biostrati ultrasottili fino al limite del monostrato, Biosensori e bioelettronica (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115498
Informazioni sul giornale: Biosensori e bioelettronica
Jorge Pedrós - Professore associato, Dipartimento di Ingegneria Elettronica e Istituto di Sistemi Optoelettronici e Microtecnologie, Universidad Politécnica de Madrid
