Highly Sensitive Graphene-MoS₂ Hybrid Surface Plasmon Resonance Biosensor for Malaria Detection via Refractive Index Analysis of Red Blood Cells

Immaginate di cercare di sentire un sussurro in una stanza rumorosa. Di solito, il chiacchiericcio di sottofondo sovrasta il suono minuscolo, rendendo impossibile capire se qualcuno stia parlando o se sia solo il vento che soffia. Nel mondo della scienza, questo "rumore" è spesso la difficoltà di rilevare cambiamenti incredibilmente piccoli nel modo in cui la luce rimbalza su una superficie. Gli scienziati usano un trucco ingegnoso chiamato Risonanza Plasmonica di Superficie (SPR) per risolvere questo problema. Pensate alla SPR come a un'antenna radio super-sintonizzata fatta di metallo. Quando la luce colpisce questa antenna con l'angolo giusto, fa sì che gli elettroni sulla superficie metallica danzino in un'onda sincronizzata. Se si mette qualcosa di anche solo leggermente diverso vicino all'antenna — come una goccia d'acqua o un piccolo virus — la danza cambia il suo ritmo. Osservando come cambia il ritmo, gli scienziati possono rilevare la presenza di quell'"qualcosa" senza mai toccarlo. Questo è un grande passo avanti per la medicina perché potrebbe permettere ai medici di individuare malattie come la malaria precocemente, semplicemente osservando come le cellule del sangue interagiscono con la luce, senza bisogno di colorarle con sostanze chimiche o aspettare lunghi test di laboratorio.

Ora, immaginate un team di ricercatori dell'Università di Tecnologia di Shiraz che ha deciso di potenziare questa "antenna radio" per renderla ancora più sensibile. Sapevano che, sebbene le antenne metalliche standard siano buone, potrebbero essere migliori se avvolte in materiali speciali e ultra-sottili. Hanno sperimentato un "sandwich" di argento, uno strato singolo di grafene (che è come un foglio di atomi di carbonio sottile come un pezzo di carta) e una famiglia di materiali chiamati Dicalcogenuri di Metalli di Transizione (TMDC). Questi TMDC sono come diverse varianti di una spezia speciale che può cambiare il modo in cui la luce interagisce con il sensore. I ricercatori volevano vedere quale "variante" e quale spessore di argento creasse il rilevatore più nitido e sensibile per le cellule del sangue rosso infette da malaria.

In questo studio, gli autori non hanno costruito un dispositivo fisico in un laboratorio; hanno invece utilizzato potenti simulazioni al computer per progettare e testare il loro sensore. Hanno modellato una struttura con un prisma di vetro, un film d'argento e strati di grafene mescolati con uno di quattro diversi materiali TMDC: MoS₂, MoSe₂, WS₂ o WSe₂. Hanno proiettato un fascio di luce nel vicino infrarosso (lunghezze d'onda intorno a 1000-1100 nanometri) su questa configurazione e hanno calcolato esattamente quanta luce rimbalzava indietro. Il loro obiettivo era trovare la combinazione perfetta che creasse il più grande "scostamento della danza" quando il sensore rileva la differenza tra una cellula del sangue rossa sana e una infettata da malaria.

Le simulazioni hanno rivelato che la scelta del materiale e lo spessore dello strato di argento contano immensamente. Non si tratta solo di scegliere il materiale "migliore"; si tratta di trovare l'abbinamento giusto per il colore specifico della luce utilizzata. Ad esempio, a una lunghezza d'onda di 1000 nm, una struttura che utilizza WS₂ con uno strato d'argento da 40 nanometri mostrava l'assorbimento di luce più forte. Tuttavia, quando sono passati a 1100 nm, il materiale MoSe₂ ha iniziato a eccellere, mostrando la prestazione migliore. I ricercatori hanno anche scoperto che aggiungere più strati di grafene non aiutava sempre; anzi, troppi strati a volte rendevano il sensore meno sensibile perché intrappolavano la luce troppo lontano dalla superficie dove si trovano le cellule del sangue.

Dopo aver testato molte combinazioni, il team ha identificato una configurazione "campione". Hanno scoperto che un sensore che utilizza un film d'argento da 70 nanometri, un singolo strato di grafene e uno strato di MoS₂ (o MoSe₂) operando a una lunghezza d'onda di 1100 nm offriva il miglior equilibrio. Questa configurazione era incredibilmente sensibile. Quando hanno simulato il sensore che rileva un minuscolo cambiamento nell'indice di rifrazione (una misura di quanto la luce si piega) simile a ciò che accade quando una cellula del sangue rossa viene infettata, l' "angolo di risonanza" del sensore si è spostato in modo significativo. Nello specifico, per un cambiamento molto piccolo nelle proprietà della cellula del sangue (0,005 RIU), il sensore ha mostrato una sensibilità di 198,08 gradi per unità di indice di rifrazione. Se il cambiamento era leggermente maggiore (0,007 RIU), la sensibilità balzava a 201,52 gradi per unità.

Il documento ha anche simulato come questo sensore potesse distinguere tra i diversi stadi di infezione da malaria. Le cellule del sangue rosse sane hanno un indice di rifrazione specifico, ma man mano che il parassita della malaria cresce all'interno della cellula, le proprietà della cellula cambiano. Le simulazioni hanno mostrato che il sensore poteva chiaramente distinguere tra una cellula sana e le cellule negli stadi di infezione "anello", "trofozoite" e "schizonte", ognuno dei quali produce un segnale distinto. Ad esempio, il segnale per lo stadio di schizonte era sensibilmente diverso da quello di una cellula sana, suggerendo che il sensore potrebbe potenzialmente identificare non solo la presenza della malattia, ma anche quanto sia avanzata.

Gli autori concludono che, sebbene i loro risultati siano attualmente basati su modelli informatici e non su esperimenti fisici, il design suggerisce una via molto promettente da seguire. Sostengono che, utilizzando questi materiali 2D ibridi, è possibile creare un biosensore che sia molto più nitido e accurato rispetto ai design attuali. Ciò potrebbe portare, in futuro, a un dispositivo in grado di rilevare la malaria rapidamente e senza l'uso di marcatori, semplicemente analizzando la luce riflessa da una goccia di sangue. Lo studio evidenzia come la chiave del successo risieda nel calibrare attentamente gli strati di metallo e di materiali 2D per adattarli alla specifica lunghezza d'onda della luce, dimostrando che nel mondo della rilevazione su scala nanometrica, il diavolo è davvero nei dettagli.