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Nature Communications volume 13, numero articolo: 4753 (2022) Citare questo articolo

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La spettroscopia nel medio infrarosso è una tecnica sensibile e selettiva per sondare le molecole nella fase gassosa o liquida. Lo studio delle reazioni chimiche nelle applicazioni biomediche come la produzione di farmaci sta recentemente guadagnando particolare interesse. Tuttavia, il monitoraggio dei processi dinamici nei liquidi è comunemente limitato a sistemi ingombranti e richiede quindi analisi offline dispendiose in termini di tempo. In questo lavoro mostriamo un sensore su scala chip di nuova generazione, completamente integrato e robusto per misurazioni online della dinamica delle molecole in una soluzione liquida. Il nostro dispositivo, delle dimensioni di un dito, utilizza la tecnologia a cascata quantistica, combinando l'emettitore, la sezione di rilevamento e il rilevatore su un unico chip. Ciò consente misurazioni in tempo reale sondando solo quantità di microlitri di analita in una configurazione in situ. Dimostriamo il funzionamento del dispositivo risolto nel tempo analizzando i cambiamenti conformazionali indotti dalla temperatura dell'albumina sierica bovina della proteina modello in acqua pesante. Le misurazioni quantitative rivelano eccellenti caratteristiche prestazionali in termini di linearità del sensore, ampia copertura di concentrazioni, che vanno da 0,075 mg ml−1 a 92 mg ml−1 e un'assorbanza 55 volte superiore rispetto ai sistemi di riferimento ingombranti e offline all'avanguardia .

I sensori sono entrati nella nostra vita quotidiana a innumerevoli livelli, dalla diagnostica medica1,2,3, al rilevamento ambientale e alla ricerca sul clima4,5 fino all'imaging spettrale6 e alle applicazioni di sicurezza7. Rilevano, analizzano e reagiscono a tutti i tipi di sostanze rilevanti, ad esempio sostanze chimiche potenzialmente pericolose8. Mentre la spettroscopia in fase gassosa nel medio infrarosso (mid-IR) è oggi ben sfruttata per applicazioni di rilevamento basate sulla tecnologia a cascata quantistica (QC)9,10,11, le tecniche di rilevamento dei liquidi sono ancora agli inizi12,13,14. Includono, ad esempio, il tentativo di affrontare le bande di assorbimento molto ampie (>10–50 cm−1) nel mezzo a densità molto più elevata dei liquidi15,16,17. Questo diventa un compito ancora più impegnativo quando si rilevano analiti target a (i) livelli di concentrazione molto bassi (da ppb a ppt) o (ii) concentrazioni che cambiano rapidamente, mentre si studiano reazioni chimiche o cambiamenti conformazionali delle molecole. Le caratteristiche desiderabili per i sensori che monitorano i processi dinamici nella fase liquida includono tempi di risposta rapidi, elevata sensibilità e specificità, nonché la capacità di analizzare ampi intervalli di concentrazione dinamici in campioni di dimensioni di microlitri.

Di conseguenza, è molto vantaggioso per un sensore ad alta specificità individuare la regione spettrale dell’impronta digitale degli assorbimenti delle molecole fondamentali nell’intervallo spettrale del medio infrarosso (~500–1700 cm−1 18,19), e in particolare la regione della proteina ammide Banda I (~1600–1700 cm−1) nel caso dell'analisi proteica20.

La sensibilità di un sensore dipende dalla sua prestazione in termini di rumore e dalla pendenza della linea di calibrazione. Nelle tecniche spettroscopiche basate sulla legge di Beer-Lambert, la sensibilità può essere personalizzata massimizzando la lunghezza di interazione effettiva della luce all'interno del campione. Tuttavia, i valori tipici della lunghezza di assorbimento nel medio infrarosso in soluzione acquosa rientrano nella scala micrometrica bassa per le tecniche esistenti e spesso utilizzano dispositivi ingombranti9,14,21. Di conseguenza, sorgenti luminose ad alta potenza come i laser QC (QCL) e rilevatori ad alte prestazioni, come i rilevatori QC (QCD), sono strumenti favorevoli per i miglioramenti. Consentono di affrontare applicazioni del mondo reale nella spettroscopia in fase liquida nel medio IR e sono in grado di sondare spessori di pellicola del campione ben oltre pochi micrometri, consentendo così una gestione del campione semplificata e più robusta8,13,22.

In contrasto con la specificità e la sensibilità del sensore già affrontate dai primi esperimenti in letteratura23, vogliamo dimostrare un concetto che mostra progressi significativi su due ulteriori caratteristiche critiche:

(i) Processi dinamici, come quelli riscontrati nelle reazioni chimiche24 o cambiamenti conformazionali, cioè cambiamenti strutturali della struttura tridimensionale di una molecola13, rivelano caratteristiche importanti che devono essere analizzate con elevata risoluzione temporale per una loro adeguata indagine. Un sensore in situ per misurazioni in tempo reale senza etichetta è lo strumento ideale per monitorare i cambiamenti degli analiti, evitando completamente analisi offline dispendiose in termini di tempo.