IT202000009727A1 - Sensore colorimetrico per la rilevazione di batteri e/o virus - Google Patents
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Description
Descrizione della domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
"Sensore colorimetrico per la rilevazione di batteri e/o virus?
Campo tecnico dell?invenzione
La presente invenzione riguarda un sensore colorimetrico per la rilevazione di batteri e/o virus.
Tecnica nota
Sono noti sensori colorimetrici per la rilevazione di agenti contaminanti batterici, quali ad esempio l?escherichia coli.
Un esempio di sensore colorimetrico per la rilevazione di batteri, quali l?escherichia coli, ? descritto in G.M. Patern?, L. Moscardi, S. Donini, D. Ariodanti, I. Kriegel, M. Zani, E. Parisini, F. Scotognella, G. Laznani, ?Hybrid One-Dimensional Plasmonic Photonic Crystals for Optical Detection of Bacterila Contaminants?, J. Phys. Chem. Lett. 2019, 10, 4980-4986. Tale sensore comprende uno strato di argento (metallo plasmonico) e un cristallo fotonico monodimensionale. L?argento presenta una bioresponsivit? al batterio dell?escherichia coli che ne modifica la risposta fotonica al contatto con quest?ultimo. In sostanza, se viene rilevata la presenza del batterio, ad esempio ponendo a contatto secrezioni di un soggetto con lo strato di argento, viene percepita una modificazione del colore del sensore.
Tuttavia, per la rilevazione di altri agenti contaminanti o anche virus, che presentano in generale dimensioni molto inferiori rispetto a quelle dei batteri, ? necessaria una sensibilit? superiore del sensore.
Breve sommario dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? pertanto quello di rendere disponibile un sensore colorimetrico con una migliorata sensibilit? che consenta la rilevazione precisa di batteri e anche di virus, quali il COVID-19.
Questo ed altri scopi vengono raggiunti da un sensore colorimetrico per la rilevazione di batteri e/o virus secondo la rivendicazione 1.
Le rivendicazioni dipendenti definiscono possibili vantaggiose forme di realizzazione dell?invenzione.
Breve descrizione dei disegni
Per meglio comprendere l?invenzione ed apprezzarne i vantaggi verranno di seguito descritte alcune sue forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle annesse figure, in cui:
la figura 1 ? una vista schematica in sezione, in esploso, di un sensore colorimetrico in accordo con una prima possibile forma di realizzazione dell?invenzione;
la figura 2 ? una vista schematica in sezione, in esploso, di un sensore colorimetrico in accordo con una seconda possibile forma di realizzazione dell?invenzione;
la figura 3 ? una vista schematica in sezione, in esploso, di un sensore colorimetrico in accordo con una terza possibile forma di realizzazione dell?invenzione;
la figura 4 ? una vista schematica in sezione, in esploso, di un sensore colorimetrico in accordo con una quarta possibile forma di realizzazione dell?invenzione;
la figura 5 ? una vista schematica in sezione, in esploso, di un sensore colorimetrico in accordo con una quinta possibile forma di realizzazione dell?invenzione;
la figura 6 ? una vista schematica in sezione, in esploso, di un sensore colorimetrico in accordo con una sesta possibile forma di realizzazione dell?invenzione;
la figura 7 ? una vista schematica in sezione di un cristallo fotonico monodimensionale;
le figure 8a-8c sono viste in prospettiva, in differenti condizioni d?uso, di un kit comprendente il sensore colorimetrico in accordo con una possibile forma di realizzazione dell?invenzione;
le figure 9a-9c sono viste in prospettiva, in differenti condizioni d?uso, di un kit comprendente il sensore colorimetrico in accordo con una ulteriore possibile forma di realizzazione dell?invenzione; le figure 10a-10c sono viste in prospettiva, in differenti condizioni d?uso, di un kit comprendente il sensore colorimetrico in accordo con una ulteriore possibile forma di realizzazione dell?invenzione.
Descrizione dettagliata dell?invenzione
Con riferimento alle annesse figure 1-6, un sensore colorimetrico per la rilevazione di batteri e/o virus ? indicato nel suo complesso con il riferimento 1. Il sensore 1 pu? ad esempio essere realizzato sotto forma di etichetta applicata su uno o pi? fogli o su un supporto in rotoli oppure, ad esempio, montata su uno strumento di utilizzo 200 secondo quanto illustrato ad esempio nelle figure 8-10. Ad esempio, direttamente o indirettamente tramite un dispositivo di prelievo 201 del dispositivo di utilizzo 200, il sensore 1 sotto forma di etichetta pu? essere immerso in un contenitore contenente il campione delle secrezioni del soggetto da analizzare. Oppure, direttamente o indirettamente tramite il dispositivo di prelievo 201 del dispositivo di utilizzo 200, il sensore 1 sotto forma di etichetta pu? essere passato ad esempio sulla lingua del soggetto di cui si vuole verificare l?infezione da batterio o virus.
Ad esempio, con riferimento alle figure 8a-8c, lo strumento di utilizzo 200 pu? comprendere un corpo conformato a paletta 202 su cui ? applicato il sensore 1.
Con riferimento alle figure 9a-9c, lo strumento di utilizzo 200 pu? comprendere un corpo conformato a paletta 202 su cui ? applicato il sensore 1 ed un secondo corpo conformato a paletta 203 su cui ? applicato il dispositivo di prelievo 201. Ruotando il secondo corpo a paletta 203 rispetto al corpo a paletta 202, il dispositivo di prelievo 201 entra in contatto con il sensore 1. Secondo la forma di realizzazione illustrata, la rotazione relativa dei corpi a paletta avviene intorno ad un asse perpendicolare agli assi longitudinali dei corpi a paletta, tra loro allineati.
Con riferimento alle figure 10a-10c, lo strumento di utilizzo 200 pu? comprendere un corpo conformato a paletta 202 su cui ? applicato il sensore 1 ed un secondo corpo conformato a paletta 203 su cui ? applicato il dispositivo di prelievo 201. Ruotando il secondo corpo a paletta 203 rispetto al corpo a paletta 202, il dispositivo di prelievo 201 entra in contatto con il sensore 1. Secondo la forma di realizzazione illustrata, la rotazione relativa dei corpi a paletta avviene intorno ad un asse parallelo agli assi longitudinali dei corpi a paletta, tra loro affiancati e paralleli.
Il sensore colorimetrico 1 comprende preferibilmente uno strato di supporto 2, avente, secondo una possibile forma di realizzazione, la funzione di supporto di ulteriori strati sovrastanti. Lo strato di supporto 2 pu? essere realizzato, in modo esemplificativo ma non limitativo, in policarbonato, oppure in PVC, o Teslin, o poliestere, o simili, oppure in materiale cartaceo.
Il sensore colorimetrico 1 comprende uno o pi?, preferibilmente una pluralit? di, strati 3?, 3??, ? con struttura a cristalli fotonici, preferibilmente sovrapposti allo strato di supporto 2. In ottica ed in microfotonica, per cristallo fotonico si intende una struttura in cui l'indice di rifrazione ha una modulazione periodica su scale comparabili con la lunghezza d'onda della luce o, pi? in generale, di una radiazione elettromagnetica. In base alla tipologia di modulazione periodica dell?indice di rifrazione, i cristalli fotonici si suddividono in:
- cristalli fotonici monodimensionali, aventi periodicit? dell?indice di rifrazione in un?unica direzione (anche noti come specchi di Bragg);
- cristalli fotonici bidimensionali, aventi periodicit? dell?indice di rifrazione in due direzioni;
- cristalli fotonici tridimensionali, aventi periodicit? dell?indice di rifrazione in tre direzioni.
In accordo con una forma di realizzazione, gli strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3??,? comprendono una struttura a cristalli fotonici monodimensionali. Con riferimento alla figura 7, la struttura a cristalli fotonici monodimensionali comprende una pluralit? di strati aventi rispettivi indici di rifrazione n1, n2, n3, n4. Dato un raggio di luce 101 incidente con un angolo di incidenza ?, la luce riflessa complessiva ? data da un fascio 102 di raggi di luce riflessi. Scegliendo opportunamente la periodicit? e gli indici di rifrazione degli strati, ? possibile realizzare specchi che hanno un coefficiente di riflessione molto alto in un certo intervallo di lunghezze d?onda. Come conseguenza, variando l?angolo di incidenza ? del raggio di luce incidente 101, l?osservatore, assunto in una posizione fissa rispetto alla struttura a cristalli fotonici, osserver? una variazione del colore della struttura. Analogamente, l?osservatore osserver? variazioni di colore nella struttura a cristalli fotonici se, a parit? di angolo di incidenza del raggio di luce incidente, modificher? la sua posizione e/o il suo orientamento rispetto alla struttura a cristalli fotonici e conseguentemente rispetto al fascio di luce riflessa 102.
In accordo con una forma di realizzazione, gli strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3??, ? comprendono una pluralit? di strati alternati di silice (SiO2) e biossido di titanio (TiO2).
Il sensore colorimetrico 1 comprende inoltre uno strato funzionale 4 comprendente un nanomateriale in grado di generare, in certe condizioni, una eccitazione degli elettroni di superficie, ovvero un plasmone di superficie, bioresponsivo a batteri e/o a virus, sovrapposto, direttamente o indirettamente, agli uno o pi? strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3??, ? . Nella presente descrizione e nelle annesse rivendicazioni, con il termine ?bioresponsivo? si intende che il materiale considerato, quando entra in contatto ed ? stimolato da molecole di batteri o virus, modifica le proprie caratteristiche, in particolare modifica l?energia di risonanza plasmonica, che dipende da ci? che si trova nell?interfaccia tra il materiale e il batterio/virus. Pertanto, un qualsiasi elemento che venga legato alla superficie di una nanoparticella di un nanomateriale contribuir? a modificarne le energie dei plasmoni, con la conseguenza che verranno osservati dei colori diversi rispetto a quelli del materiale macroscopico.
Ad esempio, sono note le propriet? antibatteriche dell?argento, che modifica le proprie caratteristiche elettrostatiche superficiali legandosi alla membrana batterica. Recenti studi hanno inoltre mostrato come l?argento colloidale e l?oro siano bioresponsivi ad alcuni virus.
In accordo con una forma di realizzazione, il nanomateriale dello strato funzionale 4 comprende argento, o un materiale a base argento (quale l?argento colloidale), o oro, o un materiale a base oro. Naturalmente possono essere previsti nanomateriali ulteriori, non esplicitamente menzionati, plasmonici e bioresponsivi a specifici virus o batteri.
Preferibilmente, lo strato funzionale 4 ha uno spessore nanometrico, ossia dell?ordine di grandezza dei nanometri. Secondo una possibile forma di realizzazione, lo strato funzionale 4 ha uno spessore compreso tra 4 e 20 nanometri. Tale strato cos? sottile pu? essere ad esempio applicato mediante diverse tecniche di deposizione, dalla deposizione sotto vuoto, a mezzo sputtering o altro, alla tecnica della deposizione fisica a vapore o altre tecniche spray.
In sostanza, se viene rilevata la presenza del batterio, ad esempio ponendo a contatto secrezioni di un soggetto portatore del batterio con lo strato funzionale 4, la modificazione della struttura di quest?ultimo, secondo quanto descritto sopra, nelle parti del nanomateriale a contatto col batterio stesso, dovuta alla sua bioresponsivit?, provoca la modificazione delle energie dei plasmoni, mostrando in questa parte dei colori diversi rispetto a quelli del materiale macroscopico. Tale cambiamento di colore ? amplificato dalla struttura elettro-ottica interferenziale complessiva degli strati a cristalli fotonici 3?,3??,? del sensore 1.
E? poi noto che alcune sostanze proteiche o anticorpi funzionano come recettori di virus. Ad esempio, ? stato osservato che, nel caso del COVID-19 ed anche per il SARS-CoV, la proteina ACE2 (angiotensinconverting enzyme 2) agisce come recettore di membrana. La Richiedente ha sorprendentemente osservato che l?aggiunta di tali proteine o anticorpi allo strato funzionale 4 consente al sensore 1 di rilevare anche i virus, quali il COVID-19, presenti ad esempio nelle secrezioni delle persone o in altri oggetti o liquidi, contribuendo a modificare le energie dei plasmoni e provocando, anche in questo caso, una modificazione elettro-ottica interferenziale della struttura del sensore comprensiva degli strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3??,? , che provoca un cambiamento del colore otticamente percepito.
A tal scopo, il nanomateriale plasmonico bioresponsivo che realizza lo strato funzionale 4 pu? essere drogato con le sopra citate sostanze proteiche o anticorpi funzionanti come recettori di virus. Alternativamente, il sensore 1 pu? comprendere uno strato recettore 5 comprendente le sopra citate sostanze proteiche o anticorpi funzionanti come recettori del virus, in cui lo strato funzionale 4 e lo strato recettore 5 sono tra loro sovrapposti, preferibilmente a contatto tra loro. Anche lo strato recettore 5 presenta preferibilmente uno spessore nanometrico. In accordo con una forma di realizzazione, il sensore 1 comprende inoltre un secondo strato funzionale 6, preferibilmente comprendente lo stesso nanomateriale dello strato funzionale 4, sovrapposto allo strato recettore 5. Anche il secondo strato funzionale 6 presenta preferibilmente uno spessore nanometrico, ancora pi? preferibilmente compreso tra 4 e 20 nanometri.
In alternativa o in aggiunta a quanto detto sopra, al fine di migliorare la sensibilit? del sensore 1 affinch? esso sia in grado di rilevare in maniera pi? evidente batteri nonch? la presenza di virus, che in generale presentano dimensioni inferiori rispetto a quelle dei batteri, il sensore 1 pu? comprendere uno strato nanostrutturato plasmonico 7, sovrapposto agli strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3??, ?, comprendente nanostrutture tali da realizzare colori plasmonici.
Lo strato nanostruturato plasmonico 7 ? una struttura nanoincisa, ossia comprendente nanostrutture incise, che vengono conformate in modo tale da ottenere un?intensificazione del campo elettromagnetico prodotta dalle risonanze fotoniche e plasmoniche proprie delle nanostrutture, intensificando l?interazione tra luce e materia, tale da realizzare i cosiddetti colori plasmonici, anche noti come colori strutturali. Tali colori plasmonici sono ottenuti mediante interazione di risonanza tra la luce e le nanostrutture dello strato nanostrutturato plasmonico 7 (si parla di ?grating nanostrutturato?), incise in uno strato metallico o in uno strato polimerico rivestito da nanoparticelle metalliche. Plasmoni localizzati di superficie generati da queste nanostrutture permettono, attraverso il controllo a livello nanometrico della loro morfologia, la generazione di colori polarizzati senza l?impiego di pigmenti. Le nanostrutture possono essere realizzate ad esempio mediante la tecnica dell?electron beam.
Le nanostrutture dello strato nanostrutturato plasmonico 7 consentono di provocare il fenomeno della risonanza plasmonica di superficie. Pertanto, le nanostrutture dello strato nanostrutturato plasmonico 7 consentono di migliorare la sensibilit? del sensore 1, ossia di amplificare il fenomeno del cambio di colore del sensore, precedentemente descritto, quando viene rilevata la presenza di un agente batterico o specialmente di un virus, quale il COVID-19.
In accordo con una forma di realizzazione, le nanostrutture dello strato nanostrutturato plasmonico 7 sono di ordine zero di diffrazione, ossia sono tali da produrre solo riflessione e rifrazione, non diffrazione, delle onde luminose incidenti.
Secondo una forma di realizzazione, le nanostrutture dello strato nanostrutturato plasmonico 7 sono configurate in modo tale da produrre un effetto ottico a luce polarizzata.
Con riferimento alle annesse figure 1-6, verranno ora descritte possibili forme di realizzazione alternative dell?invenzione.
Prima forma di realizzazione (figura 1)
In accordo con questa forma di realizzazione, il sensore colorimetrico 1 comprende nell?ordine (dal basso verso l?alto con riferimento all?orientamento della figura):
- lo strato di supporto 2;
- la pluralit? di strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3???, ad esempio alternati di SiO2 e TiO2;
- lo strato recettore 5;
- lo strato funzionale 4, ad esempio in argento Ag.
Seconda forma di realizzazione (figura 2)
In accordo con questa forma di realizzazione, il sensore colorimetrico 1 comprende nell?ordine (dal basso verso l?alto con riferimento all?orientamento della figura):
- lo strato di supporto 2;
- la pluralit? di strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3???, ad esempio alternati di SiO2 e TiO2;
- lo strato funzionale 4, ad esempio in argento Ag;
- lo strato recettore 5.
Terza forma di realizzazione (figura 3)
In accordo con questa forma di realizzazione, il sensore colorimetrico 1 comprende nell?ordine (dal basso verso l?alto con riferimento all?orientamento della figura):
- lo strato di supporto 2;
- la pluralit? di strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3???, ad esempio alternati di SiO2 e TiO2;
- lo strato nanostrutturato plasmonico 7;
- lo strato funzionale 4, ad esempio in argento Ag.
Quarta forma di realizzazione (figura 4)
In accordo con questa forma di realizzazione, il sensore colorimetrico 1 comprende nell?ordine (dal basso verso l?alto con riferimento all?orientamento della figura):
- lo strato di supporto 2;
- la pluralit? di strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3???, ad esempio alternati di SiO2 e TiO2;
- lo strato nanostrutturato plasmonico 7;
- lo strato recettore 5;
- lo strato funzionale 4, ad esempio in argento Ag.
Quinta forma di realizzazione (figura 5)
In accordo con questa forma di realizzazione, il sensore colorimetrico 1 comprende nell?ordine (dal basso verso l?alto con riferimento all?orientamento della figura):
- lo strato di supporto 2;
- la pluralit? di strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3???, ad esempio alternati di SiO2 e TiO2;
- lo strato nanostrutturato plasmonico 7;
- lo strato funzionale 4, ad esempio in argento Ag;
- lo strato recettore 5.
Sesta forma di realizzazione (figura 6)
In accordo con questa forma di realizzazione, il sensore colorimetrico 1 comprende nell?ordine (dal basso verso l?alto con riferimento all?orientamento della figura):
- lo strato di supporto 2;
- la pluralit? di strati con struttura a cristalli fotonici 3?, 3???, ad esempio alternati di SiO2 e TiO2;
- lo strato nanostrutturato plasmonico 7;
- lo strato funzionale 4, ad esempio in argento Ag;
- lo strato recettore 5;
- il secondo strato funzionale 6, ad esempio in argento.
Si noti che nelle forme di realizzazione sopra descritte lo strato recettore 5, ove previsto, pu? essere alternativamente sostituito dal drogaggio dello strato funzionale 4 e/o del secondo strato funzionale 6.
Si noti inoltre che nella presente descrizione e nelle annesse rivendicazioni con il termine ?sovrapposto?, riferito agli strati del sensore 1, non si intende implicare necessariamente anche un contatto diretto tra gli strati sovrapposti menzionati. Tali strati potranno quindi s? essere a contatto diretto tra loro, oppure, alternativamente, essi potranno avere uno o pi? strati intermedi disposti tra di loro, ferma restando la loro sovrapposizione. Inoltre, il termine ?sovrapposto? non implica alcun ordine tra gli strati indicati tra loro come sovrapposti.
Alla descrizione sopra fornita del sensore colorimetrico la persona esperta, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti specifiche, potr? apportare numerose aggiunte, modifiche, o sostituzioni di elementi con altri funzionalmente equivalenti, senza tuttavia uscire dall?ambito delle annesse rivendicazioni.
Claims (17)
1. Sensore colorimetrico (1) per la rilevazione di batteri e/o virus, comprendente:
- uno o pi? strati (3?, 3??, ?) con struttura a cristalli fotonici;
- uno strato funzionale (4) comprendente un nanomateriale in grado di generare un plasmone di superficie, bioresponsivo a batteri e/o a virus, sovrapposto agli uno o pi? strati (3?, 3??, ?) con struttura a cristalli fotonici;
caratterizzato dal fatto che:
- il nanomateriale bioresponsivo a batteri e/o a virus dello strato funzionale (4) ? drogato con sostanze proteiche o anticorpi funzionanti come recettori di virus, oppure il sensore colorimetrico (1) comprende uno strato recettore (5) comprendente sostanze proteiche o anticorpi funzionanti come recettori del virus, in cui lo strato funzionale (4) e lo strato recettore (5) sono tra loro sovrapposti;
e/o
- il sensore colorimetrico (1) comprende uno strato nanostrutturato plasmonico (7), comprendente nanostrutture tali da generare colori plasmonici, sovrapposto agli uno o pi? strati con struttura a cristalli fotonici (3?, 3??,?).
2. Sensore colorimetrico (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti uno o pi? strati con struttura a cristalli fotonici (3?,3??,?) comprendono una struttura a cristalli fotonici monodimensionali.
3. Sensore colorimetrico (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti uno o pi? strati con struttura a cristalli fotonici (3?,3??,?) comprendono una pluralit? di strati alternati di silice (SiO2) e biossido di titanio (TiO2).
4. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il nanomateriale di detto strato funzionale (4) comprende argento, o un materiale a base argento, o oro, o un materiale a base oro.
5. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto strato funzionale (4) ha uno spessore compreso tra 4 e 20 nanometri.
6. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto strato funzionale (4) e detto strato recettore (5) sono a diretto contatto tra loro.
7. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette sostanze proteiche o anticorpi funzionanti come recettori del virus comprendono la proteina ACE2 (angiotensin-converting enzyme 2).
8. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un secondo strato funzionale (6) comprendente un nanomateriale in grado di generare un plasmone di superficie, bioresponsivo a batteri e/o a virus, sovrapposto allo strato recettore (5) e opposto allo strato funzionale (4).
9. Sensore colorimetrico (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto secondo strato funzionale (6) comprende lo stesso nanomateriale dello strato funzionale (4).
10. Sensore colorimetrico (1) secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detto secondo strato funzionale (6) e detto strato recettore (5) sono a contatto diretto tra loro.
11. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 10, in cui detto secondo strato funzionale (6) ha uno spessore compreso tra 4 e 20 nanometri.
12. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette nanostrutture dello strato nanostrutturato plasmonico (7) sono conformate in modo tale da provocare una risonanza plasmonica di superficie.
13. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette nanostrutture dello strato nanostrutturato plasmonico (7) sono di ordine zero di diffrazione.
14. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette nanostrutture dello strato nanostrutturato plasmonico (7) sono configurate in modo tale da produrre un effetto ottico a luce polarizzata.
15. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre uno strato di supporto (2), in cui detti uno o pi? strati (3?,3??,?) con struttura a cristalli fotonici sono sovrapposti allo strato di supporto (2).
16. Sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, realizzato sotto forma di etichetta.
17. Kit comprendente un sensore colorimetrico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, applicato su uno strumento di utilizzo (200), su fogli o su un supporto in rotoli.
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