Cancro, Ti Vedo! Il Sensore SPR con MXene e Grafene Rivoluziona la Diagnosi Precoce

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa di veramente affascinante che potrebbe cambiare le carte in tavola nella lotta contro il cancro. Sappiamo tutti quanto sia fondamentale la diagnosi precoce, vero? È la chiave per aumentare drasticamente le possibilità di sopravvivenza. E qui entra in gioco un biomarcatore importantissimo: l’antigene carcinoembrionario, o CEA. Questo glycoprotein è un segnale d’allarme per diversi tipi di cancro, come quello al fegato, al colon, al seno e quello colorettale. Valori superiori a 5-10 ng/mL nel siero sono spesso un campanello d’allarme. Quindi, poter misurare con precisione i livelli di CEA è cruciale.

Negli ultimi anni, la biologia e la medicina hanno fatto passi da gigante nella diagnosi, ma tecniche avanzate come la TAC o la risonanza magnetica, pur essendo precise, sono costose e a volte invasive. Ecco perché noi ricercatori stiamo esplorando alternative più accessibili ed efficienti, come i biosensori ottici. Tra questi, i sensori basati sulla Risonanza Plasmonica di Superficie (SPR) sono tra i più promettenti. Permettono di monitorare concentrazioni bassissime di analiti, in tempo reale e senza bisogno di “etichette” chimiche (label-free).

Ma cos’è questo SPR e perché è così speciale?

Immaginate di far interagire la luce con una sottilissima lamina di metallo (nel nostro caso, oro) a contatto con un campione biologico. In condizioni molto specifiche di angolo e lunghezza d’onda della luce, si crea un fenomeno affascinante: gli elettroni sulla superficie del metallo iniziano a oscillare collettivamente, generando onde chiamate plasmoni di superficie. Questo fenomeno, chiamato SPR, è incredibilmente sensibile a ciò che accade proprio sulla superficie del metallo. Se delle molecole (come il nostro CEA) si legano alla superficie, cambiano leggermente le proprietà ottiche locali, e questo modifica l’angolo a cui avviene la risonanza. Misurando questo cambiamento d’angolo, possiamo quantificare le molecole presenti!

La configurazione più comune per questi sensori è quella di Kretschmann, che usa un prisma per dirigere la luce sul metallo. È stabile e affidabile. Ma noi volevamo di più. Volevamo una sensibilità *ultra*.

L’ingrediente segreto: MXene e Grafene

Qui arriva il bello. Negli ultimi vent’anni, i nanomateriali 2D hanno rivoluzionato molti campi, inclusi i biosensori. Materiali come il grafene e, più recentemente, gli MXene (in particolare il Ti3C2Tx che abbiamo usato noi) hanno proprietà ottiche ed elettroniche eccezionali.

• Il Grafene: Famoso per la sua struttura a nido d’ape, ha una mobilità dei portatori di carica altissima, un’area superficiale enorme (circa 2630 m²/g!) che favorisce l’interazione con le molecole, ed è biocompatibile.
• L’MXene (Ti3C2Tx): Anche lui ha un’ottima interazione interstrato, alta densità, buona mobilità dei portatori, grande area superficiale, è biocompatibile e non tossico. La sua superficie è ricca di gruppi funzionali idrofili (come O, OH, F) che attirano le biomolecole in soluzione acquosa. Inoltre, assorbe fortemente nella regione del vicino infrarosso (NIR).

La nostra idea è stata quella di combinare questi materiali in una struttura multistrato sopra l’oro (Au), usando anche un sottile strato di ossido di alluminio (Al₂O₃). L’Al₂O₃ è chimicamente stabile, aumenta il rapporto superficie/volume e migliora l’affinità per le interazioni biomolecolari. Abbiamo impilato i materiali in un ordine specifico (Prisma BK7 / Au / Grafene / Al₂O₃ / MXene) seguendo una sequenza decrescente di funzione lavoro. Questo design favorisce un trasferimento di carica efficiente dall’MXene (bassa funzione lavoro) all’oro (alta funzione lavoro), potenziando il segnale SPR.

Come abbiamo testato il nostro super-sensore?

Abbiamo usato un metodo di simulazione computerizzata molto potente chiamato FDTD (Finite Difference Time Domain) per valutare le prestazioni del nostro sensore, operando a una lunghezza d’onda di 633 nm (luce rossa). Abbiamo simulato come cambia la riflettanza della luce al variare dell’angolo di incidenza, cercando quel “calo” caratteristico che indica la risonanza SPR.

Abbiamo prima ottimizzato gli spessori degli strati. Lo strato d’oro (Au) è risultato ottimale a 48 nm per eccitare efficacemente i plasmoni. Lo strato di Al₂O₃, invece, si è dimostrato efficace anche a spessori minimi (abbiamo usato 2 nm), senza influenzare troppo la riflettanza minima.

Poi abbiamo confrontato diverse combinazioni: senza materiali 2D, solo con grafene, solo con MXene, e con entrambi (un singolo strato di ciascuno, M=1, G=1). Abbiamo notato che aggiungere strati 2D aumenta sì la riflettanza minima (indebolendo un po’ la risonanza “visivamente”), ma soprattutto, aumenta lo spostamento dell’angolo di risonanza quando cambia l’indice di rifrazione del campione. E questo spostamento è proprio la misura della sensibilità!

Risultati da urlo: Sensibilità e FOM al top

Abbiamo testato il sensore simulando diverse concentrazioni di CEA in soluzione acquosa, da 0 a 5 ng/mL. All’aumentare della concentrazione di CEA, l’indice di rifrazione della soluzione aumenta linearmente (da 1.33 a 1.3485). E il nostro sensore ha risposto magnificamente! L’angolo di risonanza si spostava chiaramente verso angoli maggiori all’aumentare della concentrazione.

Analizzando la relazione lineare tra la variazione dell’indice di rifrazione e lo spostamento dell’angolo di risonanza, abbiamo calcolato la sensibilità. La configurazione con uno strato di MXene e uno di grafene (M=1, G=1) ha mostrato già un’ottima sensibilità. Ma ci siamo spinti oltre!

Abbiamo provato una configurazione con due strati di MXene e due di grafene (M=2, G=2). E qui abbiamo raggiunto il picco: una sensibilità eccezionale di 163.63 deg/RIU (gradi per unità di indice di rifrazione)! Questo valore è significativamente più alto rispetto a molti altri sensori SPR riportati in letteratura recentemente, che spesso si fermano intorno ai 100-120 deg/RIU, o poco più.

Ma la sensibilità non è tutto. Un altro parametro chiave è la Figura di Merito (FOM), che tiene conto anche di quanto è “stretta” la curva di risonanza (il FWHM, Full Width at Half Maximum). Un FOM alto indica un sensore che è sia sensibile che preciso. Il nostro sensore ha raggiunto un FOM di 17.52 RIU⁻¹, un valore decisamente buono, soprattutto considerando l’altissima sensibilità. Questo è dovuto anche al fatto che, nonostante l’aggiunta dei materiali 2D allarghi leggermente la curva di risonanza (a causa di un maggiore assorbimento e dissipazione di energia), l’aumento di sensibilità è stato più che proporzionale.

Abbiamo anche calcolato altri parametri come l’accuratezza di rilevamento (DA), il limite di rilevamento (DL) e il rapporto segnale-rumore (SNR), ottenendo valori molto promettenti che confermano le elevate prestazioni del nostro design. L’intenso campo elettrico che si genera all’interfaccia tra i vari strati, potenziato dai materiali 2D, è la chiave di questa sensibilità migliorata.

Perché tutto questo è importante? Applicazioni reali

Un sensore così sensibile apre scenari incredibili:

• Diagnosi precoce del cancro: Poter rilevare livelli bassissimi di CEA (nell’ordine di 1-5 ng/mL) nel siero dei pazienti potrebbe permettere di identificare tumori molto prima che siano visibili con le tecniche di imaging tradizionali.
• Monitoraggio della terapia: Seguire l’andamento dei livelli di CEA durante il trattamento oncologico può dare indicazioni preziose sull’efficacia della terapia e aiutare a personalizzare le cure.
• Sicurezza alimentare e monitoraggio ambientale: La piattaforma SPR può essere adattata per rilevare altri tipi di molecole, aprendo la strada ad applicazioni in diversi campi.

Rispetto a tecniche tradizionali come l’ELISA, il nostro approccio SPR offre vantaggi notevoli: è label-free (non servono marcatori), è rapido (risultati in pochi minuti), è quantitativo e, grazie alla semplicità del setup e al processo di fabbricazione potenzialmente economico, potrebbe essere anche più accessibile.

Sfide future e orizzonti

Certo, ci sono ancora sfide da affrontare, come garantire la ripetibilità e la stabilità del sensore nel tempo e in condizioni diverse (temperatura, umidità), e minimizzare le interferenze da altre molecole presenti in campioni complessi come il siero. Abbiamo verificato che il sensore è abbastanza robusto alle variazioni di temperatura (testato da 0 K a 600 K), il che è un buon segno.

Per il futuro, stiamo pensando di esplorare altri nanomateriali di nuova generazione (come il fosforo nero o i dicalcogenuri di metalli di transizione – TMDC), integrarli in strutture metamateriali, e utilizzare elementi di riconoscimento ancora più specifici (come anticorpi o aptameri) per migliorare ulteriormente selettività e sensibilità, magari puntando anche ad altri biomarcatori per diverse malattie.

In conclusione, siamo davvero entusiasti dei risultati ottenuti. Questo sensore SPR, potenziato dall’integrazione strategica di grafene e MXene, rappresenta un passo avanti significativo. Dimostra un potenziale enorme per applicazioni nel mondo reale, soprattutto nella diagnosi medica, dove la capacità di rilevare biomarcatori come il CEA in modo rapido, preciso e a basse concentrazioni può davvero fare la differenza nella vita delle persone.

Fonte: Springer