In parallelo allo sviluppo dei biosensori c’è stato uno sviluppo dei cosiddetti elettrodi modificati. In generale tali modifiche consistono nel rivestimento (spesso con materiali polimerici) degli stessi. Nel seguito se ne vedranno alcuni esempi cercando di fare una panoramica su quelle che sono le nuove frontiere del settore.
2.4.1 Nanoparticelle d’oro
Lo sviluppo di nanoparticelle ha avuto un grande impulso grazie alle proprietà dell’oro di formare con facilità nanoparticelle di notevole stabilità.
Le proprietà fisiche e chimiche di nanoparticelle metalliche di diametro tra 1-10 nm sono notevolmente diverse da quelle del metallo massivo, ma anche da quelle del singolo atomo e sono fortemente dipendenti dalle dimensioni delle nanoparticelle e dalla natura del guscio protettivo, necessario per stabilizzarle ed impedirne la coagulazione.
La preparazione di nanoparticelle di oro (AuNPs) è stata realizzata più di cinquant’anni fa per semplice riduzione dell’acido cloroaurico con citrato di sodio in
56
acqua. Per renderle stabili è però necessario aggiungere anche un tiolo, che ha la capacità di attaccarsi alla superficie di Au metallico formando un guscio di molecole che ricopre totalmente la superficie con un monostrato molto compatto (SAM). La sintesi di Brust-Schiffin consente di preparare le AuNPs con vari gruppi funzionali legati ai tioli, che possono svolgere diverse funzioni. In particolare è possibile introdurre dei gruppi funzionali che ancorino le AuNPs su specifiche superfici (elettrodiche) e che fungano da recettori per biosensori. Un’altra interessante possibilità nel campo della sensoristica è quella di realizzare dei dendrimeriviii attaccando alla nanoparticella, sempre mediante tioli, dendrimeri con gruppi funzionali in grado di svolgere specifiche funzioni. Si sono realizzate, ad esempio, AuNPs con attaccati fino a 180 gruppi ferrocenile. Grazie a queste potenzialità, mediante AuNPs è possibile ottenere riconoscimento e titolazione molecolare con tecniche di ciclovoltammetria, come è già stato fatto per l’ATP (adenosinatrifosfato), e anche mediante elettrocatalisi.
Un aspetto di notevole importanza è legato alla possibilità di legare alle AuNPs delle sequenze di DNA (oligonucleotidi) funzionalizzate con un tiolo terminale. Queste possono essere utilizzate per due diverse finalità: da una parte la capacità degli oligonucleotidi di ibridizzare con il DNA complementare, consente di accoppiare le AuNPs con una sequenza complementare di DNA realizzando così un nanocristallo, cioè una distribuzione di particelle d’oro in modo perfettamente ordinato secondo la struttura del DNA o degli oligonucleotidi utilizzati come telaio.
Dall’altra parte le AuNPs possono riconoscere, sempre grazie al meccanismo di ibridazione con la sequenza complementare, una specifica sequenza del DNA, il che le rende dei biosensori per l’analisi del DNA. Questa potenzialità è alla base dello sviluppo di biosensori per la diagnosi di malattie che introducono modificazioni del DNA, come ad esempio i tumori.
viii I dendrimeri sono una classe di composti macromolecolari polimerici che formano delle strutture iper-ramificate di forma globulare e costruite in modo iterativo. Questa, che è la caratteristica principale, porta alla crescita non lineare del composto in cui, il numero delle unità monomeriche aggiunte ad ogni iterazione è doppia o tripla.
57
2.4.2 Nanotubi di carbonio
Un’altra realtà che, come la precedente, sta irrompendo nella ricerca scientifica di questi ultimi anni, coinvolgendo molteplici aspetti e grandi potenzialità è quella dei nanotubi di carbonio (CNT).
Un nanotubo di carbonio è un piano di grafite che si avvolge a cilindro saldando le due estremità lungo le quali gli atomi di carbonio sono reattivi, avendo un elettrone spaiato.
Esistono modi diversi di arrototlamento del piano di grafite per cui la struttura dei nanotubi risulta diversa e, conseguentemente, risultano diverse le proprietà chimico-fisiche.
Poiché gli atomi terminali che si hanno in un nanotubo aperto, hanno proprietà chimiche molto interessanti, si provvede a tagliare i nanotubi in modo da realizzare dei tubi aperti per le svariate applicazioni nelle quali vengono impiegati.
Esistono nanotubi con diversa composizione:
CNTs formati da un unico piano di grafite (SWNT);
CNTs costituiti da più tubi concentrici (MWNT).
Si sono realizzati elettrodi chimicamente modificati con CNTs, ad esempio utilizzando il Nafion per solubilizzare i CNTs e confinarli sulla superficie elettrodica ottenendo da essi una forte attività elettrocatalitica. Questa attività elettrocatalitica è stata sfruttata per realizzare biosensori con l’immobilizzazione di enzimi ossidasi (come GOx) con elevata stabilità e riproducibilità.
Figura 2.3: Sezione di una ricostruzione della struttura di un MWNT costituito da 4 nanotubi di
58
Una tecnica molto diffusa per preparare elettrodi a base di CNTs è quella sol-gel che consente di preparare dei Ceramic-Carbon Nanotube Nanocomposites Electrodes (CCNNEs), facendo indurire i CNTs in matrici di gel di silice. Tali elettrodi possono essere utilizzati per lo sviluppo di biosensori, mediante intrappolamento di enzimi o altre proteine nei nanocompositi, grazie all’eccellente biocompatibilità della matrice sol-gel e le ottime proprietà elettrochimiche dei CNTs.
Sui CNTs è possibile integrare anche biomateriali come proteine, enzimi, antigeni, anticorpi o DNA. Si realizzano così dei sistemi ibridi che sfruttano le proprietà conduttrici o semiconduttrici dei CNTs accoppiate con le proprietà catalizzatrici o riconoscitrici dei biomateriali. In particolare la cavità interna o la superficie esterna costituiscono una opportuna piattaforma per ospitare le biomolecole e realizzare così dei nanodispositivi bioelettronici.
59
Bibliografia
1. D. Thevenot, K. Toth, R. Durst, G. Wilson, Electrochemical biosensor: recommended definition and classification, Pure Appl. Chem., Vol. 71, No. 12, pp. 2333-2348, 1999.
2. Peter Gründler, Chemical SensorsAn Introduction for Scientists and Engineers, Ed. Springer, 2007
3. Adriana Mignani, Sviluppo di Biosensori: Modifiche di Superfici
Elettrodiche e Sistemi di Immobilizzazione Enzimatica, Università degli Studi di Bologna Alma Mater Studiorum, A.A. 2007-2008
4. Walter Vastarella, Enzyme Modified Electrodes in Amperometric Biosensors, Università degli Studi di Bari, XIV Ciclo, A.A. 1998-2001
5. J. Wang, Glucose Biosensors: 40 Years of Advances and Challenges, Electroanalysis, 13, No. 12, 2001
6. B. Malhotra, A. Chaubey, Biosensors for clinical diagnostics industry, Sensors and Actuators, B 91, pp. 117–127, 2003
7. J. Castillo, S. Gáspár, S. Leth, M. Niculescu, A. Mortari, I. Bontidean, V. Soukharev, S.A. Dorneanu, A.D. Ryabov, E. Csöregi, Biosensors for life quality: Design, development and applications, Sensors and Actuators, B 102, pp.179–194, 2004
8. T. Marchis, Preparazione, caratterizzazione e possibili applicazioni della perossidasi da soia immobilizzata su granuli di vetro attivato, Università degli Studi di Torino, A.A. 2006/2007
9. S. Pagani, M. Duranti, Enzimologia: dai fondamenti alle applicazioni, Ed Piccin, 1998
10. J. M. Guisan, Immobilization of enzymes and cells, Ed. Humana Press, 2006, seconda edizione
11. G. Reach, G. S. Wilson, Analytical Chemistry, 64, 381A, 1992
12. a) D. Gough, J. Lucisano, P. Tse, Analytical Chemistry, 57, 2351, 1985 b) J. Armour, J. Lucisano, D. Gough, Diabetes, 39, 1519, 1990
60