RICERCA ITALIANA     

Miglioramento delle prestazioni nanomeccaniche e della funzionalizzazione di superficie di cantilever, per una nuova classe di sensori di massa chimico-specifici

Politecnico di Torino

Abstract

Negli ultimi anni, le rivelazione di molecole con sistemi basati sull’utilizzo di micro e nano cantilever (CL) ha generato molte aspettative nella comunità scientifica, sia in ambiti fondamentali che applicativi. Al di là di un elevato numero di esperimenti di successo presentati in letteratura, una più profonda comprensione dei fondamenti meccanici e fisico/chimici della rivelazione molecolare basata su CL è decisamente auspicabile. Lo scopo principale di questo progetto è di capire come la funzionalizzazione di superficie di micro e nanoCL ne influenzi le proprietà statiche (piegamento) e dinamiche (curva di risonanza) attraverso un approccio combinato teorico e sperimentale. Inoltre, il disaccoppiamento dei contributi di massa dalle variazioni indotte di rigidità non è ancora stato completamente spiegato; di conseguenza, l’uso di queste strutture come sensori quantitativi di massa è limitato al caso di masse confinate, come le nanoparticelle, virus, etc...Inoltre, la riduzione delle dimensioni (dalla scala micro a quella nano) per il raggiungimento di sensibilità estremamente elevate (rivelazione della singola molecola) fa del ruolo della chimica di superficie e delle properietà meccaniche dell’adlayer un aspetto di fondamentale importanza da investigare accuratamente. Di conseguenza, un approccio combinato teorico-sperimentale è necessario al fine di ottenere una completa conoscenza e controllo dell’influenza delle proprietà chimiche e strutturali legate alla presenza >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Carlo Ricciardi Politecnico di TORINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il principale obiettivo di questo progetto è quello di aprire la strada per una nuova classe di sensori basati sui nano-cantilever, caratterizzati da una selettività chimica, sensibilità e stabilità tali da permettere la rivelazione riproducibile di singole molecole.
Ciò può essere ottenuto riducendo le dimensioni del cantilever a dimensioni nanometriche, modificandone opportunamente la forma e utilizzando strategie di funzionalizzazione efficaci che permettano di mantenere un totale controllo sulle proprietà meccaniche e chimiche del cantilever stesso. Per raggiungere questo scopo è fondamentale possedere competenze, in diversi ambiti fisici, chimici e ingegneristici, quali quelle possedute dai partecipanti: una vasta esperienza nell’ambito della sensoristica; la capacità, sia teorica che sperimentale, di ottenere una accurata descrizione a livello micro e nanoscopico delle interfacce funzionalizzate, la versatilità ed efficacia dell’apparato FIB per nanostrutturare il cantilever e la capacità di modellizzazione del comportamento meccanico del cantilever attraverso un approccio ad elementi finiti. Un altro contributo fondamentale al successo del progetto deriva dalla disponibilità di una tecnica di crescita e sintesi in vuoto altamente innovativa (SuMBD), che permette un controllo preciso sia della reattività dell’interfaccia che della sua morfologia.
La comprensione dettagliata del ruolo giocato dalla funzionalizzazione di interfaccia sulla risposta e >>>

Risultati parziali attesi

L’obiettivo principale di questo progetto è comprendere, attraverso un approccio sia teorico che sperimentale, come la funzionalizzazione delle superfici di un microcantilever ne influenzi il comportamento statico (deflessione) e dinamico (curva di risonanza). Infatti, benché i cantilever siano stati studiati e applicati in modo esteso come rilevatori di massa, non è stato ancora completamente compreso quale sia il ruolo delle superfici e il meccanismo di trasduzione chemio-meccanica. Il disaccoppiamento degli effetti di massa da quelli indotti da variazioni della rigidezza non è completamente chiarito e quindi l’impiego di tali strutture come sensori di massa ad elevata sensibilità è limitato al caso di masse confinate come nanoparticelle, virus, ecc… Inoltre, una riduzione delle dimensioni (dalla micro alla nanoscala) è necessaria per raggiungere una sensibilità estremamente elevata (rivelazione di una singola molecola), e nel caso di nanostrutture la comprensione del ruolo della superficie e dello strato organico assorbito sulle proprietà meccaniche della nanobilancia è ancora più importante. Senza la comprensione di tali problematiche, la rivelazione basata su microcantilever non potrà mai essere applicata efficacemente per analisi quantitative ad elevata sensibilità di molecole come il DNA, proteine, gas, ecc… Tale tecnica sebbene utile solo come strumento di caratterizzazione in laboratori universitari, non potrebbe dunque essere commercializzata.
Al fine di >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Negli ultimi anni la comunità scientifica ha riposto molte aspettative nella rivelazione basata su micro e nano cantilever, per le sue potenziali ricadute sia nell’ambito della scienza di base sia in campi più applicativi[1].
La tecnica deriva dalla microscopia a scansione di sonda (SPM) e permette di trasdurre il segnale che deriva dell’interazione con la molecola da rivelare in una perturbazione nanomeccanica del moto del microcantilever usato come sonda. Il principio di funzionamento è in linea di principio semplice: il cantilever viene funzionalizzato e posto in un ambiente contenente la molecola da rivelare (per es. DNA[2], proteine[3], materiali esplosivi[4] etc…). L’interazione fra i siti di ancoraggio della sonda e il target determinano due effetti: da un lato la variazione della massa del cantilever (misurabile in modalità dinamica) e dall’altro la sua flessione statica (misurabile in modalità statica). Quest’ultima è dovuta allo stress superficiale indotto dalla variazione dell’energia libera di Gibbs delle specie che interagiscono sulla superficie[5]. La modalità statica, pur essendo stata utilizzata con successo per ottenere informazioni sulla cinetica di adsorbimento di molecole sulle superfici, può difficilmente essere implementata per ottenere risultati quantitativi in liquido sulle concentrazioni di analiti.
D’altra parte quando il cantilever è eccitato dinamicamente, l’adsorbimento selettivo di molecule sulla superficie funzionalizzata causa >>>