Un team guidato dagli ingegneri chimici dell'ETH Chih-Jen Shih e Andrew deMello ha sviluppato un sistema di test rapido fatto di carta di grafene intelligente che costa solo pochi centesimi per striscia di test, funziona in modo semplice e raggiunge l'accuratezza delle misure di laboratorio. L'approccio ha un impatto non solo sul monitoraggio delle malattie.
I fatti più importanti in breve
- I test rapidi hanno un grande vantaggio rispetto alle altre analisi mediche. Sono così semplici che chiunque può eseguirli quasi ovunque.
- I ricercatori dell'ETH hanno ora trovato un modo per rendere i test rapidi che utilizzano strisce di carta al grafene molto più sensibili, veloci e precisi.
- I ricercatori non solo hanno dimostrato scientificamente il loro metodo di test rapido, ma hanno anche semplificato la produzione delle strisce di carta analitica in modo da poter creare un prodotto utilizzabile nella pratica.
I test rapidi di gravidanza e Covid hanno un grande vantaggio rispetto ad altre analisi mediche. Sono così semplici che chiunque può eseguirli praticamente ovunque. Questo grazie all'affidabile principio di base di questi cosiddetti metodi microfluidici: Le soluzioni acquose si diffondono attraverso una striscia di carta con l'aiuto di forze capillari. Sostanze come particelle di virus o ormoni della gravidanza possono essere catturate e concentrate nel punto desiderato con l'aiuto di anticorpi. Un sistema di colorazione rende poi lentamente visibile la sostanza campione, sempre più densa, sotto forma di striscia.
Per quanto questo principio di base sia semplice e affidabile, la valutazione visiva dei risultati può essere difficile. La domanda se una linea sia visibile o se sia solo la nostra immaginazione è stata probabilmente nella mente di tutti almeno una volta dallo scoppio della pandemia di Covid.
? proprio qui che entra in gioco l'invenzione del team dell'ETH. Hanno trovato un modo per formare elettrodi conduttivi direttamente all'interno della carta per strisce reattive. In questo modo, un segnale elettronico viene generato direttamente quando una sostanza viene legata. Questo rende le misurazioni molto più sensibili, veloci e precise.
Migliorare la tecnologia della carta
Chih-Jen Shih e Andrew deMello condividono una passione: "La nostra più grande motivazione è quella di migliorare gli esperimenti chimici o biologici di base in modo tale da creare nuove possibilità scientifiche", ed è esattamente ciò che i loro gruppi di ricerca hanno ottenuto con i test rapidi. Il fatto di aver combinato una microfluidica su carta semplice ed economica con la sensibilità e l'accuratezza dei metodi di misurazione elettronici va a vantaggio di un'ampia gamma di applicazioni analitiche. Dal monitoraggio indipendente dei biomarcatori nel sangue da parte dei pazienti, ai campioni di suolo, aria o acqua sul campo, ai test sulle malattie in aree remote del mondo in pochi minuti; la gamma potenziale di applicazioni copre praticamente tutte le analisi chimiche, biologiche e mediche che possono essere effettuate in soluzioni acquose.
La combinazione di competenze come chiave
I precedenti tentativi di dotare la chimica della carta a basso costo di elettrodi di rilevamento sono stati ostacolati da una proprietà di principio dei materiali conduttori: In linea di principio, i conduttori elettrici difficilmente interagiscono con l'acqua e quindi agiscono come barriere al flusso del campione e delle miscele di reazione in una striscia di carta.
Per superare questo ostacolo e sviluppare la tecnologia in una procedura affidabile che funzioni anche nelle regioni meno sviluppate del mondo, era necessario combinare diverse aree di competenza, come sottolinea deMello. I ricercatori dell'ETH hanno quindi unito le loro competenze per il nuovo test rapido: Il gruppo di Shih ha fornito le competenze per generare direttamente la conduttività nella carta. Il gruppo di DeMello ha contribuito con la sua conoscenza dei sistemi microfluidici.
Il laser decompone la cellulosa in carbonio puro
La base dell'invenzione è la conversione dei polimeri di zucchero che compongono la cellulosa della carta in grafene utilizzando un laser. Questa speciale forma di carbonio è conduttiva ed è considerata un materiale elettronico del futuro.
Durante la conversione al laser, le molecole di cellulosa vengono scomposte nei loro elementi di carbonio, ossigeno e idrogeno, paragonabile alla caramellizzazione dello zucchero domestico. Tuttavia, mentre il riscaldamento dello zucchero in una pentola per lungo tempo lascia solo carbone ordinario, che non conduce elettricità, gli scienziati dell'ETH sono riusciti a utilizzare il laser per riorganizzare il grafene conduttivo negli atomi di carbonio della cellulosa.
Una messa a punto intelligente fa la differenza
Tuttavia, la produzione di grafene nella carta di cellulosa da sola non sarebbe stata sufficiente. Come praticamente tutti gli altri materiali conduttori, questo materiale miracoloso è idrofobo. Ciò significa che respinge l'acqua, che non può semplicemente attraversarlo. Grazie a un'abile regolazione dell'energia laser, tuttavia, i ricercatori sono riusciti a decomporre la cellulosa in grafene in modo così controllato che non solo la porosità originale della cellulosa viene mantenuta. Anche alcuni gruppi ossigeno della cellulosa rimangono sulla superficie delle aree di grafene.
"La nostra più grande motivazione è migliorare gli esperimenti chimici o biologici di base in modo tale da creare nuove possibilità scientifiche".Chih-Jen Shih e Andrew deMello
Questi gruppi di ossigeno possono interagire con le molecole d'acqua e quindi garantire agli elettrodi praticamente la stessa bagnabilità del resto della carta. Inoltre, le cosiddette molecole reporter possono essere legate chimicamente a questi gruppi di ossigeno. Ad esempio, un segnale elettronico viene generato direttamente quando una particella di virus interagisce con un anticorpo di rilevamento sull'elettrodo.
Sviluppare la scienza in un prodotto pratico
I ricercatori hanno sintonizzato l'energia del laser effettuando due regolazioni principali: In primo luogo, hanno trattato la carta con ritardanti di fiamma. Questi impediscono all'energia laser di carbonizzare completamente o addirittura bruciare la cellulosa. In secondo luogo, la potenza del laser è stata ridotta e sono stati utilizzati più impulsi, che forniscono meno energia per unità di superficie alla carta.
Tuttavia, Shih e deMello non si sono accontentati di dimostrare scientificamente il principio degli elettrodi di carta. Il loro obiettivo era piuttosto quello di sviluppare un prodotto che potesse essere utilizzato nella pratica. A tal fine, hanno implementato il principio in applicazioni pratiche e hanno anche semplificato in modo massiccio la produzione delle strisce di carta analitiche. In soli 90 minuti è possibile produrre 176 sensori da un foglio A4 e il costo unitario è di soli 0,02 dollari.
Ambiente ideale per le innovazioni interdisciplinari
Per Shih, l'ambiente dell'ETH ha giocato un ruolo decisivo nell'invenzione: "Facciamo parte del Dipartimento di chimica e scienze biologiche applicate. Questo significa che noi ingegneri siamo direttamente ispirati dalla ricerca di punta che viene condotta intorno a noi".
Non è ancora chiaro come i due ingegneri chimici metteranno a disposizione della società e commercializzeranno la loro invenzione. Vista l'enorme gamma di applicazioni possibili, è ipotizzabile un modello di licenza. Ma anche in questo caso gli scienziati possono contare sull'ambiente dell'ETH, dice deMello: "I responsabili dell'ETH transfer hanno molta esperienza nella protezione della proprietà intellettuale e nella negoziazione di accordi di licenza".
Indipendentemente dal modo in cui l'invenzione troverà spazio nei prodotti reali, innumerevoli persone in tutto il mondo potranno beneficiare di questa innovazione dell'ETH. Dalle terapie mediche più efficaci, all'agricoltura più efficiente, fino al monitoraggio delle infezioni: l'inserimento diretto degli elettrodi nelle strisce reattive porta le possibilità della fluidica della carta a un nuovo livello.