Articolo di Lorenzo Sembranti e Federico Vivaldi
Negli ultimi anni, i biosensori hanno assunto una posizione sempre più rilevante nella nostra vita quotidiana, tuttavia, spesso senza una chiara percezione della loro diffusione. Lo scopo di questo articolo divulgativo è quello di introdurre al lettore la definizione di biosensore, con un particolare focus sulla famiglia degli enzimatici e su di una delle applicazioni più importanti riscontrabili nella vita di tutti i giorni, la misura della glicemia.
Introduzione
L’avvento dell’internet delle cose ha permesso negli ultimi anni di far esplodere la ricerca e il mercato dei sensori. I sensori sono dispositivi progettati per rilevare e misurare specifiche variazioni nell’ambiente circostante. Di nostro particolare interesse sono i sensori chimici, i quali operano convertendo un’informazione chimica, come la concentrazione di una sostanza, in un segnale leggibile dall'uomo o da un sistema elettronico. L’applicazione di questi dispositivi spazia dalla rilevazione di inquinanti ambientali al monitoraggio della qualità dell'aria e dell'acqua, fino all'uso in ambito medico per la diagnosi di patologie e condizioni cliniche. La struttura di un sensore chimico può essere schematizzata in tre unità fondamentali come quelle mostrate in Figura 1: l’analita, uno strato sensibile e un trasduttore1.
Figura 1: Struttura di un sensore chimico: A) analita, B) strato sensibile, C) trasduttore
L’analita è la specie chimica di interesse, mentre lo strato sensibile rappresenta il materiale in grado di interagire in maniera selettiva con l’analita. Infine, il trasduttore rappresenta l’unità in grado di trasformare l’informazione chimica costituita dall’interazione analitica-strato sensibile in una quantità misurabile. I sensori chimici possono essere classificati in diverse categorie in base al principio di rilevamento e/o al tipo di trasduttore utilizzato. Un esempio di classificazione sulla base della trasduzione è rappresentato dalla divisione in sensori: elettrochimici, ottici, piezoelettrici e termici. I sensori elettrochimici misurano le variazioni del potenziale elettrico o della corrente generata da una reazione chimica. Un esempio di questi sono gli elettrodi a vetro e i sensori amperometrici; I sensori ottici, invece, utilizzano la luce per rilevare cambiamenti chimici. Ad esempio, la variazione nell'assorbimento o nella riflessione della luce può indicare la presenza di una specifica sostanza; I sensori piezoelettrici misurano le variazioni di massa su un cristallo piezoelettrico causate dall'adsorbimento di molecole, mentre i sensori termici misurano le variazioni di temperatura dovute a reazioni chimiche esotermiche o endotermiche2. Tutte le tipologie di sensori elencate possono essere a loro volta sotto classificate in base alla natura dell’elemento sensibile utilizzato.
Biosensori
Con il termine “biosensore” si indica quella sottocategoria di sensori chimici che utilizzano elementi biologici come componenti attivi nello strato sensibile, per la rilevazione di un analita. Tali elementi possono includere: enzimi, anticorpi, acidi nucleici o interi organismi cellulari. I biosensori enzimatici, ovvero quelli che utilizzano un enzima come componente dello strato sensibile, rappresentano una delle categorie maggiormente sviluppate in questo ambito. Un enzima è una proteina in grado di catalizzare una reazione biologica con un elevato grado di specificità; proprio per questa elevata specificità gli enzimi trovano vasta applicazione in campo analitico. In particolare, il funzionamento di un biosensore enzimatico si basa su una reazione enzimatica in cui il substrato (analita) viene trasformato in un prodotto. Questa trasformazione genera un segnale, spesso elettrochimico, ottico o termico, che viene rilevato e quantificato dal trasduttore. Un esempio di biosensore enzimatico può essere un sensore nel quale l'ossidazione o riduzione del prodotto della reazione enzimatica può essere misurata come variazione di corrente.
Biosensori enzimatici di prima, seconda e terza generazione
I biosensori enzimatici possono essere suddivisi in tre sottocategorie in base alla maturità della tecnologia utilizzata (Figura 2) 3,4. Quelli di prima generazione sono basati sul principio di misurazione diretta dei prodotti di reazione enzimatiche. In questi dispositivi, l'enzima catalizza una reazione chimica che produce o consuma un substrato elettroattivo. Un esempio significativo di biosensore enzimatico di prima generazione è il glucometro, che utilizza l'enzima glucosio ossidasi. Questo enzima ossida il glucosio, producendo perossido di idrogeno che viene rilevato elettrochimicamente. Questi biosensori, pur essendo pionieristici, presentano alcune limitazioni. Ad esempio, nel caso del glucometro, la dipendenza dall'ossigeno disciolto, che può influenzare la precisione e la stabilità del segnale e soprattutto il suo range di operatività. La seconda generazione di biosensori enzimatici ha cercato di superare le limitazioni della prima generazione introducendo mediatori redox artificiali. Questi mediatori sono molecole che trasportano elettroni tra l'enzima e l'elettrodo, migliorando l'efficienza della reazione e riducendo la dipendenza da fattori esterni. I mediatori redox, come ferrocene, ferrocianuro e chinoni, permettono un trasferimento elettronico più rapido e diretto, rendendo i biosensori più robusti e affidabili. I biosensori di seconda generazione hanno dimostrato una maggiore stabilità e una migliore precisione rispetto a quelli di prima generazione. Tuttavia, l'uso di mediatori artificiali ha introdotto nuove sfide, come la necessità di stabilizzare questi mediatori e prevenire la loro perdita nel tempo, che potrebbe compromettere la riproducibilità delle misure. I biosensori enzimatici di terza generazione rappresentano l'avanguardia della tecnologia dei biosensori. Questi dispositivi eliminano completamente la necessità di mediatori artificiali, basandosi su un trasferimento elettronico diretto tra l'enzima e l'elettrodo. Questo è possibile grazie a modifiche degli enzimi o all'uso di materiali avanzati come nanoparticelle e nanomateriali conduttivi, che facilitano il contatto elettrico diretto. Un biosensore basato su nanocompositi di carbonio (nanotubi o grafene) o nanoparticelle di metallo, che migliorano significativamente la superficie attiva dell'elettrodo e la sua conducibilità, può essere considerato un esempio di biosensore enzimatico di terza generazione. Questi biosensori offrono una sensibilità e una specificità eccezionali, insieme a una risposta rapida e una riduzione delle interferenze.
Figura 2: Una rappresentazione schematica delle tre generazioni di biosensori enzimatici 5
La misura della glicemia
La misura della glicemia, ovvero il livello di glucosio nel sangue, è cruciale per la gestione del diabete e la prevenzione delle sue complicanze. Negli ultimi decenni, sono stati sviluppati vari sensori e dispositivi per il monitoraggio della glicemia,i glucometri (Figura 3), rendendo questa pratica sempre più precisa e accessibile. In questi progressi i biosensori enzimatici hanno giocato un ruolo centrale. I biosensori moderni utilizzati per la misura della glicemia si basano prevalentemente sull'enzima glucosio ossidasi (GOx), che catalizza l'ossidazione del glucosio a gluconolattone, producendo perossido di idrogeno (H₂O₂) come sottoprodotto. Questo H₂O₂ viene poi rilevato elettrochimicamente, permettendo di determinare la concentrazione di glucosio nel sangue. 
Figura 3: Un glucometro è uno strumento dall'uso semplice che permette di monitorare pressoché istantaneamente il livello di glucosio nel sangue
Conclusione
Come visto nell’esempio, i biosensori non sono una realtà distante ma una tecnologia già diffusa, e la continua ricerca nel settore porterà sempre più innovazioni e applicazioni in ambiti dove tradizionalmente l’uso dei sensori è ancora assente. Sono tuttavia ancora numerose le sfide da affrontare, poiché sebbene i costi di produzione ridotti e la semplicità d’uso rendano i sensori una prospettiva allettante, le qualità dei metodi tradizionali spesso ancora superiori, o la durata dei dispositivi rendono l’applicazione e lo sviluppo dei sensori una strada complessa ma in continua evoluzione. I biosensori non solo offrono soluzioni immediate a problemi attuali, ma rappresentano anche una piattaforma tecnologica con enormi potenzialità per il futuro, contribuendo a migliorare la qualità della vita e la sostenibilità in molteplici contesti.
Riferimenti
1 F.-G. Banica, Chemical Sensors and Biosensors: Fundamentals and Applications, 2012.
2 A. Hulanicki, S. Glab and F. Ingman, 1991, 63, 1247–1250.
3 M. H. Hassan, C. Vyas, B. Grieve and P. Bartolo, Sensors, 2021, 21.
4 C. Karunakaran, T. Madasamy and N. K. Sethy, in Biosensors and Bioelectronics, Elsevier Inc., 2015, p. 133204.
5 C. Tan, E. M. Robbins, B. Wu and X. T. Cui, Micromachines (Basel), , DOI:10.3390/mi12020208.
