I biosensori ottici utilizzano le onde luminose come sonda per rilevare le molecole. Sono essenziali per la diagnostica sanitaria personalizzata e il monitoraggio ambientale. Le loro prestazioni sono notevolmente migliorate se possono focalizzare le onde luminose su scala nanometrica - sufficientemente piccole per rilevare proteine o amminoacidi, ad esempio - utilizzando strutture nanofotoniche che "comprimono" la luce sulla superficie di un piccolo chip. Ma la generazione e la rilevazione della luce per questi biosensori nanofotonici richiede apparecchiature ingombranti e costose che ne limitano fortemente l’uso nella diagnostica rapida o nei centri sanitari.
Come si fa quindi a realizzare un biosensore basato sulla luce senza una sorgente luminosa esterna? Con la fisica quantistica. Sfruttando un fenomeno quantistico noto come tunneling anelastico degli elettroni, gli scienziati del Bionanophotonic Systems Laboratory della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL hanno creato un biosensore che richiede solo un flusso costante di elettroni - sotto forma di tensione elettrica applicata - per illuminare e rilevare simultaneamente le molecole.
"Se si pensa a un elettrone come a un’onda, piuttosto che a una particella, quest’onda ha una bassa probabilità di attraversare una barriera isolante estremamente sottile emettendo un fotone di luce. Quello che abbiamo fatto è stato creare una nanostruttura che fa parte di questa barriera isolante e aumenta la probabilità di emissione della luce", spiega Mikhail Masharin, ricercatore del Bionanophotonic Systems Laboratory
Rilevamento fino a un trilionesimo di grammo
In breve, la nanostruttura progettata dal team crea le condizioni ideali affinché un elettrone attraversi una barriera di ossido di alluminio e raggiunga uno strato ultrasottile di oro. Nel processo, l’elettrone trasferisce parte della sua energia a un’eccitazione collettiva chiamata plasmon, che emette un fotone. Questo design garantisce che l’intensità e lo spettro di questa luce cambino in risposta al contatto con le biomolecole, fornendo un metodo ad alte prestazioni per un rilevamento estremamente sensibile, in tempo reale e senza etichette."I test hanno dimostrato che il nostro biosensore autoilluminante è in grado di rilevare aminoacidi e polimeri a concentrazioni dell’ordine del picogrammo - o di un trilionesimo di grammo - rivaleggiando con i sensori più avanzati oggi disponibili", spiega Hatice Altug, responsabile del Bionanophotonic Systems Laboratory.
Una metasuperficie a doppio uso
Il cuore dell’innovazione del team è una doppia funzionalità: lo strato d’oro della nanostruttura è una metasuperficie, il che significa che ha proprietà speciali che creano le condizioni per un tunnel quantistico e controllano l’emissione di luce risultante. Questo controllo è reso possibile disponendo la metasuperficie in una maglia di nanofili d’oro, che agiscono come "nanoantenne" per concentrare la luce nei volumi nanometrici necessari per rilevare efficacemente le biomolecole."Il tunneling anelastico degli elettroni è un processo a bassissima probabilità, ma se si dispone di un processo a bassa probabilità che si verifica uniformemente su un’area molto ampia, è ancora possibile raccogliere abbastanza fotoni. È qui che abbiamo concentrato la nostra ottimizzazione, e si è rivelata una nuova strategia molto promettente per il biosensing", spiega Jihye Lee, autore principale ed ex ricercatore del Bionanophotonic Systems Laboratory, ora ingegnere presso Samsung Electronics.
Con potenziali applicazioni che spaziano dalla diagnostica fuori laboratorio al rilevamento di contaminanti ambientali, questa tecnologia spinge i confini dei sistemi di rilevamento ad alte prestazioni
Ivan Sinev, ricercatore del Bionanophotonic Systems Laboratory
Oltre a essere compatta e sensibile, la piattaforma quantistica del team, prodotta presso il Centro di micronanotecnologia dell’EPFL, è scalabile e compatibile con i metodi di produzione dei sensori. Per il rilevamento è necessario meno di un millimetro quadrato di superficie attiva, creando un’interessante opportunità per i biosensori portatili, a differenza degli attuali set-up da banco.
"Il nostro lavoro fornisce un sensore completamente integrato che combina la generazione e il rilevamento della luce in un unico chip. Con potenziali applicazioni che vanno dalla diagnostica fuori laboratorio al rilevamento di contaminanti ambientali, questa tecnologia spinge i confini dei sistemi di rilevamento ad alte prestazioni", riassume Ivan Sinev, ricercatore del Bionanophotonic Systems Laboratory
