Nanosensori

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I nanosensori sono qualsiasi sensore utilizzato per portare informazioni dal mondo nanometrico al mondo macroscopico. Sebbene l'uomo non sia ancora capace di sintetizzarli, le predizioni sul loro utilizzo includono vari prodotti medici, chip per computer che lavorino a dimensioni nanometriche e nanorobot. I nanosensori fanno parte del più ampio campo della nanomedicina. Infatti è evidente come il primo passo, almeno teorico dell'applicazione delle nanotecnologie in medicina (nanomedicina) è l'utilizzo di sensori che vedano le modifiche psicofisiche dell'organismo.[1]

Applicazioni previste[modifica | modifica sorgente]

Gli usi medici dei nanosensori ruotano principalmente intorno al potere di questi di identificare accuratamente particolari tessuti o cellule del corpo. Attraverso la misurazione di modifiche di volume, concentrazione, spostamento, velocità, forze gravitazionali, elettriche e magnetiche e pressione o temperatura delle cellule nel corpo, i nanosensori potrebbero essere in grado di distinguere e riconoscere diversi tipi di cellule, in particolare quelle tumorali.[2] In più potrebbero essere in grado di misurare variazioni macroscopiche del mondo esterno e comunicare queste modifiche a nanoprodotti che operano all'interno dell'organismo.
Un esempio dei utilizzo dei nanosensori, riguarda le proprietà di emettere fluorescenza da parte di cadmio selenide quantum dots, che iniettati nell'organismo, in via proprio[3] della loro fluorescenza, potrebbero permettere ad un medico di scoprire un tumore o cellule tumorali. I nanosensori "quantum dots" potrebbero essere costruiti solo per quel particolare tipo di cellula che si sta cercando. Un aspetto negativo dei cadmio selenide dots, è che sono altamente tossici per l'organismo. Per questo i ricercatori stanno cercando delle alternative, assemblando dots con materiali meno tossici, mantenendo le stesse doti di fluorescenza. In particolare i ricercatori stanno studiando l'utilizzo di quantum dots con zinco sulfide i quali, pur non essendo così fluorescenti come quelli cadmio selenide, si pensa di poterne aumentarne la fluorescenza con vari metalli, incluso il manganese e vari elementi lantanidi. In aggiunta, questi nuovi quantum dots, diventano più luminosi, quando si legano ad una cellula. Tra le funzioni potenziali dei nanosensori si possono includere i sensori utilizzati per scoprire particolari tratti di DNA in modo da svelare malattie genetiche in persone ad alto rischio. Il DNA può anche essere utilizzato per creare cmoc circuiti integrati, intregrando un nanostrumento capacità recettive[4].Inoltre, utilizzando la proteonica, ed i nuovi materiali ibridi, i nanosensori possono essere usati per consentire ai componenti configurati all'interno di un substrato semiconduttore ibrido di essere utilizzati come parte di un sistema assemblato. Lo sviluppo della miniaturizzazione dei nanosensori, potrebbe fornire nuove interessanti opportunità[5]. Altri progetti, coinvolgono i nanosensori per costruire piccoli circuiti integrati, così come incorporarali in altri vari prodotti fatti utilizzando altre forme di nanotecnologie da usarsi in varie situazioni, come i trasporti, le comunicazioni l'utilizzo nell'integrità strutturale, e la robotica[6].
I Nanosensori possono anche essere utili in situazioni in cui il peso ed il volume dei materiali siano limitati, come ad esempio sui satelliti.

Sensori per glucosio[modifica | modifica sorgente]

Ad esempio Takanaga, Chaudhuri e Frommer stanno studiando sensori per il glucosio che servano per monitorizzare i livelli di glicemia ematica[7][8]

Sensori per metallo[modifica | modifica sorgente]

Sono in studio sensori fluorescenti con sensibilità specifica per Fe, Cr, Hg...[9][10]

Visualizzatori di parti anatomiche difficilmente raggiungibili[modifica | modifica sorgente]

Scoperta di inquinanti[modifica | modifica sorgente]

Ovviamente le stesse tecnologie si possono utilizzare per la scoperta di sostanze od inquinanti nell'ambiente[3]

Localized surface plasmon resonance nanosensor[modifica | modifica sorgente]

[11]

Nanosensori esistenti[modifica | modifica sorgente]

Attualmente i più comuni nanosensori presenti in natura sono i recettori naturali per stimoli esterni. Per esempio l'olfatto, in particolare in quegli animali in cui è molto sviluppato, come il cane, funzionano usando recettori che percepiscono molecole di dimensioni nanometriche. Alcune piante,utilizzano dei nanosensori per percepire la luce del sole; vari pesci utilizzano i nanosensori per percepire minuscole vibrazioni nell'acqua, molti insetti percepiscono i ferormoni, tramite l'utilizzo di nanosensori[8]. Alcuni sensori elettromagnetici, sono stati usati in sistemi fotoelettrici. Questi funzionano in via di particolari sensori chiamati aptly, ovvero fotosensori facilmente influenzate da luce di varie lunghezze d'onda. La sorgente elettromagnetica trasferisce energia al fotosensore e lo porta ad uno stato eccitato con rilascio di un elettrone nel semiconduttore. Nonostante l'uso di fotosensori più evoluti che incorporino nanosensori non sia stato ancora sviluppata, la maggior parte dei film per fotocamera per anni, hanno utilizzato fotosensori nanodimensionati.Le pellicole fotografiche usano uno strato di ioni d'argento che vengano eccitati dall'energia solare, e si ammucchiano in gruppi di circa 4 atomi che appaiono neri nel riquadro. Vari altri tipi di film possono essere fatti usando una metodica similare per rilevare particolari frequenze di luce, inclusi raggi X infrarosso, ultravioletto[8].

3D model of three types of single-walled carbon nanotubes, like those used to make certain nanosensors.

Uno dei primi esempi di nanosensori sintetici fu costruito da ricercatori al Georgia Institute of Technology, nel 1999[12] Si trattava di legare una sola particella sulla fine di un nanotubo di carbonio e di misurare la frequenza vibrazionale dei nanotubi con e senza la particella. La differenza tra le due frequenze ha consentito ai ricercatori di misurare la massa di particelle allegate[6]. In aggiunta sono stati costruiti sensori chimici usando nanotubi per misurare varie proprietà delle molecole allo stato gassoso. I nanotubi di carbone sono stati usati per "sentire" la ionizzazione della molecole gassose, mentre nanotubi in titanio sono stati utilizzati per misurare la concentrazione atmosferica di idrogeno a livello molecolare[13][14]. Molti di questi utilizzano sistemi in cui i nanosensori in modo che posseggano una particolare conformazione, complementare ad un'altra molecola. Quando le molecole "particolari" e solo con esse, si adattano sui nanosensori, e la luce è riflessa sul nanosensore, esso rifletterà differenti lunghezze d'onda e quindi differenti colori[8].

Metodi di produzione[modifica | modifica sorgente]

Allo stato attuale esistono parecchi modi per produrre nanosensori, ovvero la litografia top-down, lassemblamento bottom-up, e lautoassemblamento molecolare[6].

Litografia top-down[modifica | modifica sorgente]

La litografia top-down è il modo in cui la maggior parte dei circuiti integrati sono fatti. Si tratta di partire con un blocco di alcuni materiali e scavare la forma desiderata. Questi dispositivi, in particolare messi a frutto in specifici sistemi microelettromeccanici utilizzati come microsensori, in genere raggiungono solo la micro dimensione, ma recentemente hanno cominciato a includere componenti di dimensione nanometrica[6].

Assemblamento bottom-up[modifica | modifica sorgente]

Un secondo modo di produrre nanosensori è attraverso il metodo bottom-up che utilizza l'assemblamento di minuscoli componenti composti da atomi o molecole. Questa metodica deve utilizzare lo spostamento degli atomi di una particolare sostanza, uno per uno, fino alla posizione desiderata. Questa metodica, utilizzato in test di laboratorio tramite il microscopio atomico, è ancora molto difficoltosa, specialmente per la produzione industriale, per ragioni logistiche che economiche. Più facilmente, questo procedimento potrebbe essere utilizzato per la costruzione di molecole di partenza 8?) per costruire sensori

(A) Un esempio di molecola di DNA usata come starter per un più ampio autoassemblamento. (B) Una immagine ottenuta dal microscopio ad energia atomica di una griglia nanometrica autoassemblante. Una "mattonella" di DNA si autoassembla in una naogriglia di DNA bidimensionale.

Autoassemblamento molecolare[modifica | modifica sorgente]

La terza via che pare essere la più rapida interessa nonostrutture autoassemblanti, da utilizzarsi come nanosensori. Esistono due tipi di autoassemblamento.
Il primo utilizza nanostrutture, preventivamente create, che vengono pio immerse in atomi libere dello stesso tipo (?). Dopo un dato periodo, la struttura, che possiede una superficie irregolare, e la rende quindi adatta ad attaccare altre molocole, come continuazione della sua conformazione corrente, può catturare alcuni degli atomi liberi e continuare a crescere da se stessa.
Il secondo sistema parte con un set già completo di componente che si possono autoassemblare automaticamente fino al prodotto finale. Sebbene questa tecnica abbia avuto successo solo nell'assemblamento dei chips per computer, i ricercatori sperano di essere così abili da farlo anche alle dimensioni nanometriche per parecchi prodotti, inclusi ii nanosensori. Certamente tali tecniche permetterebbero di assemblare i nanosensori molto rapidamente ed in modo economico, piuttosto che farlo manualmente.

Impatto economico[modifica | modifica sorgente]

Nonostante che la tecnologia interessata nei nanosensori sia un nuovo campo di ricerca, le proiezioni globali per la commercializzazione dei nanosensori varia tra i 0,6 miliardi di $ ai 2,7 miliardi nei prossimi 3 o 4 anni. Facilmente saranno inclusi nei più moderni circuiti usati in sistemi informatici avanzati, grazie alla loro capacità di effettuare un link tra altre forme di nanotecnologia ed il mondo microscopico permette agli sviluppatori di raggiungere pienamente il potenziale della nanotecnologia di miniaturizzare i chips dei computer mentre si espande grandemente il potenziale di memoria.
In primis, gli sviluppatori di nanosensori, devono vincere gli attuali alti costi di produzione in modo da diventare utilizzabili commercialmente. in più l'affidabilità dei nanosensori non è ancora adatta ad una produzione industriale e, di conseguenza, i nanosensori devono ancora essere commercializzati al di fuori dei centri di ricerca.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Applicazione di tecnologie avanzate micro e nano nella progettazione di sistemi bio-robotici
  2. ^ Freitas Jr RA., Nanomedicine, Volume 1: Basic Capabilities in Austin: Landes Bioscience ISBN 1-57059-680-8., 1999.
  3. ^ a b Amanda J. Haes, Richard P. Van Duyne,, Nanoscale optical biosensors based on localized surface plasmon resonance spectroscopy, in Proc. of SPIE, 5221,, pp. 47-58, [1].
  4. ^ Cavalcanti A, Shirinzadeh B, Freitas RA Jr., Kretly LC., Medical Nanorobot Architecture Based on Nanobioelectronics in Recent Patents on Nanotechnology., vol. 1, nº 1, 2007, pp. 1-10.
  5. ^ Vaughn JR., Over the Horizon: Potential Impact of Emerging Trends in Information and Communication Technology on Disability Policy and Practice in National Council on Disability, Washington DC., dicembre 2006, pp. 1-55.
  6. ^ a b c d Foster LE., Medical Nanotechnology: Science, Innovation, and Opportunity in Upper Saddle River: Pearson Education ISBN 0-13-192756-6., 2006.
  7. ^ Hitomi Takanaga, Bhavna Chaudhuri, and Wolf B. Frommer, GLUT1 and GLUT9 as the major contributors to glucose influx in HEPG2 cells identified by a high sensitivity intramolecular FRET glucose sensor, Biochim Biophys Acta. 2008 April; 1778(4): 1091–1099
  8. ^ a b c d Ratner MA, Ratner D, Ratner M., Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea in Upper Saddle River: Prentice Hall ISBN 0-13-101400-5., 2003.
  9. ^ Lee MH, Wu JS, Lee JW, Jung JH, Kim JS, Highly sensitive and selective chemosensor for Hg2+ based on the rhodamine fluorophore, Org Lett. 2007 Jun 21;9(13):2501-4. Epub 2007 May 26
  10. ^ Mao J, Wang L, Dou W, Tang X, Yan Y, Liu W.,Tuning the selectivity of two chemosensors to Fe(III) and Cr(III), Org Lett. 2007 Oct 25;9(22):4567-70. Epub 2007 Sep 27
  11. ^ Nazem A, Mansoori GA.,, Nanotechnology solutions for Alzheimer's disease: advances in research tools, diagnostic methods and therapeutic agents. in J Alzheimers Dis., 13(2),, pp. 199-223,.
  12. ^ Poncharal P, Wang ZL, Ugarte D, de Heer WA., Electrostatic Deflections and Electromechanical Resonances of Carbon Nanotubes in Science., vol. 283, 1999, pp. 1513-1516.
  13. ^ Modi A, Koratkar N, Lass E, Wei B, Ajayan PM., Miniaturized Gas Ionization Sensors using Carbon Nanotubes in Nature., vol. 424, 2003, pp. 171-174.
  14. ^ Kong J, Franklin NR, Zhou C, Chapline MG, Peng S, Cho K, Dai H., Nanotubes Molecular Wires as Chemical Sensors in Science., vol. 287, nº 5453, 2000, pp. 622-625.

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]