I sensori a nanocavi penetrano le cellule

Nelle cavità optomeccaniche su nanoscala, i fotoni rimbalzano sugli specchi. Il loro momento viene amplificato al punto da causare la deflessione meccanica di un oscillatore. Lo sfruttamento della nanomeccanica delle cavità per percepire le deflessioni ha portato alla realizzazione di rivelatori di massa e forza con una sensibilità senza precedenti. Tuttavia, quando il sistema meccanico è inferiore alla lunghezza d'onda ottica (su scale minori della lunghezza d'onda), si verifica diffrazione e l'effetto di amplificazione è ridotto.

Grazie ai finanziamenti dell'UE, il progetto OPTONANOMECH ("Operation of cavity optomechanics in fluids for ultrasensitive mass detection") ha affrontato questa e altre sfide con l'obiettivo di spianare la strada a misurazioni ultrasensibili all'interno delle cellule viventi di individui. Gli scienziati hanno spinto le frontiere attraverso l'uso dell'oscillazione attiva, al fine di ottenere alte sensibilità a temperatura ambiente e in assenza di vuoto.

Il risonatore nanomeccanico fa parte di un circuito fotonico, pertanto l'attuazione e la rilevazione sono ottiche. L'oscillazione attiva derivante dalla retro-azione della cavità rigenerativa elimina la necessità di una forza motrice costante a corrente alternata. Questo approccio non solo elimina i limiti dimensionali imposti dai collegamenti elettrici ma, cosa ancora più importante, risolve il problema della diffrazione e assicura una sensibilità senza precedenti. Questo apre le porte a un nuovo concetto di cavità, con cui è possibile ottenere misurazioni al limite quantistico, al limite di precisione della misurazione su scala quantistica, grazie agli effetti di retro-azione. Non necessitando di eccitazione esterna, i sensori di nuova concezione possono essere notevolmente semplificati.

Utilizzando un sistema di rilevamento ottico basato su un semiconduttore a nanocavi, gli scienziati sono stati in grado di rilevare alcuni zeptogrammi (prossimi alla massa di un protone o di un atomo di idrogeno) nel fluido con nanocavi corti. Tale sensibilità consentirebbe il rilevamento di singoli eventi ligando-recettore e il legame delle molecole ai recettori in modalità chiave-serratura. Tali eventi sono un pilastro della segnalazione intra e intercellulare. Dato che i nanocavi possono penetrare la membrana cellulare, il sistema è idoneo anche per l'iniezione intracellulare di geni e farmaci e per il monitoraggio intracellulare.

Il rilevamento ultrasensibile di massa e forza a temperatura ambiente e nei fluidi apre la strada al rilevamento di eventi biologici dinamici in condizioni realistiche e in tempo reale. Estrapolare tale funzionalità dal laboratorio alla clinica consentirà di disporre di un nuovo rivoluzionario strumento di diagnosi, monitoraggio e terapia. OPTONANOMECH sta spianando la strada.