High Sensitivity Hemoglobin Biosensing Using a Plus Shaped Gold Metasurface Refractive Index Sensor

Nel ronzio silenzioso di un laboratorio ospedaliero, una goccia di sangue racconta spesso una storia che i medici hanno bisogno di ascoltare immediatamente. Uno dei personaggi più critici di quella storia è l'emoglobina, la proteina nei globuli rossi che trasporta l'ossigeno. Quando i suoi livelli scendono troppo bassi, segnalano l'anemia; quando fluttuano in altri modi, possono indicare problemi al cuore o ai polmoni. Tradizionalmente, misurare questa proteina richiede l'invio di un campione a una grande macchina in un laboratorio, un processo che è accurato ma lento e dipendente da apparecchiature ingombranti. Gli scienziati cercano da tempo un modo per misurare questi livelli istantaneamente e senza la necessità di marcatori chimici o etichette, utilizzando solo il modo in cui la luce interagisce con il sangue stesso. Questa ricerca ha portato i ricercatori a esplorare il mondo delle metasuperfici, che sono strati di materiale ultra-sottili, modellati con forme microscopiche. Queste strutture sono progettate per intrappolare e concentrare la luce in spazi minuscoli, creando intense interazioni con qualsiasi molecola si trovi nelle vicinanze. Osservando come la luce cambia quando tocca una specifica sostanza, i ricercatori possono rilevare la presenza e la concentrazione di quella sostanza con una precisione straordinaria.

Un team di ricercatori ha ora proposto un nuovo design per un tale sensore, uno che utilizza una superficie d'oro a forma di segno più per rilevare l'emoglobina. Il cuore della loro invenzione è una struttura stratificata costruita su un modello informatico. Alla base si trova uno strato sottostante fatto di un materiale speciale chiamato germanio antimonio tellurio, che può passare tra due diversi stati fisici: uno disordinato e uno ordinato. Sopra di esso si trova un sottile foglio d'oro, modellato in una griglia di risonatori a forma di più. Infine, uno strato d'oro solido funge da specchio sul fondo per impedire alla luce di passare attraverso. I ricercatori hanno simulato come questa struttura si comporterebbe quando esposta all'emoglobina a diverse concentrazioni, imitando l'intervallo presente nel sangue umano. Hanno scoperto che il sensore funziona intrappolando la luce nei piccoli spazi e negli angoli delle forme a più, creando zone di intensa energia dove le molecole di emoglobina possono essere "sentite" dalla luce.

Lo studio ha rivelato che le prestazioni del sensore dipendono fortemente dallo stato del materiale sottostante e dallo spessore preciso degli strati. Quando il materiale di base si trova nel suo stato cristallino, ovvero ordinato, il sensore diventa significativamente più sensibile rispetto a quando si trova nel suo stato amorfo, ovvero disordinato. Nelle simulazioni, la versione cristallina poteva rilevare cambiamenti nelle proprietà del sangue con una sensibilità di 766,67 nanometri per unità di indice di rifrazione, mentre la versione amorfa raggiungeva i 700 nanometri. I ricercatori hanno determinato che il sensore funziona meglio quando lo strato di base è spesso 0,6 micrometri e lo strato d'oro modellato è spesso 0,3 micrometri. Hanno anche testato come il sensore risponde a diverse angolazioni della luce e hanno scoperto che il design rimane robusto. Le simulazioni hanno mostrato che, all'aumentare della concentrazione di emoglobina, il colore specifico di luce che il sensore assorbe si spostava in modo prevedibile, passando da una lunghezza d'onda di 0,902 micrometri a 0,968 micrometri. Questo spostamento funge da segnale chiaro che il sensore sta rilevando la proteina.

I ricercatori hanno confrontato il loro design con altri sensori che sono stati pubblicati precedentemente. Sebbene alcuni design precedenti potessero rilevare i cambiamenti, la nuova metasuperficie d'oro a forma di più ha mostrato un vantaggio distinto nella sua capacità di individuare variazioni più piccole di concentrazione. Il team ha osservato che il sensore è in grado di distinguere tra diversi livelli di emoglobina senza la necessità di marcare le molecole con coloranti fluorescenti o altri marcatori. Le simulazioni del campo elettrico hanno confermato che la luce è intensamente concentrata ai bordi e agli angoli delle forme a più, creando "punti caldi" dove l'interazione con il sangue è più forte. Questa concentrazione di energia permette al sensore di cogliere cambiamenti minimi nell'ambiente che altri design meno focalizzati potrebbero perdere. Lo studio conclude che questa specifica disposizione di oro e del materiale di base commutabile offre una strada promettente verso la creazione di dispositivi medici compatti e ad alta velocità. Il lavoro suggerisce che un sensore del genere potrebbe essere eventualmente sviluppato in uno strumento per la diagnostica al punto di cura, portando la potenza dell'analisi di laboratorio complessa a una dimensione che potrebbe stare in un ufficio medico o in una clinica, a condizione che il design venga costruito con successo e testato nel mondo reale.