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Cosa intendiamo con sensori?
Si sente sempre più spesso parlare di sensori, ampiamente usati e studiati nell’ambito della ricerca, ma presentano anche molte applicazioni specifiche.
Un sensore viene definito come un dispositivo analitico in grado di rispondere a uno stimolo (fisico, chimico o biologico) e di trasmettere un segnale che possa essere misurato [1].
Grazie ai recenti sviluppi nei settori biotecnologici e dei materiali, è ora possibile fabbricare sensori a basso costo, selettivi e specifici, con materiali rigidi (come il vetro o il silicio) o flessibili (come la carta o la plastica), e soprattutto di piccole dimensioni (nel range di pochi cm2 o mm2) [2].
Per la fabbricazione di sensori a basso costo, si utilizzano sia tecniche standard di microfabbricazione e litografia (sfruttando polimeri sensibili alla luce per avere risoluzioni fino ai µm) oppure anche tecniche basate sulla stampa.
I sensori sfruttano diversi metodi analitici, che possono essere sia elettrici che non.
Alcuni esempi “non elettrici” sono i sensori ottici e spettroscopici, che convertono segnali luminosi in segnali elettronici misurabili.
Per quanto riguarda i metodi elettrici ce ne sono parecchi a disposizione: transitori e sensori a impedenza sono solo alcuni dei più usati.
Alcuni importanti esempi sono i sensori elettrochimici: dispositivi costituiti da due o tre elettrodi di metallo (es. elettrodi in oro), tra i quali scorre corrente grazie a un materiale semiconduttivo.
Quest’ultimo viene definito come la parte attiva del sensore: può essere materiale organico (soprattutto polimeri, ad esempio PEDOT:PSS, polipolistirene solfonato), o a base di carbonio (come grafene o nanotubi di carbonio).
La scelta del materiale dipende sia dal tipo di applicazione finale, sia dalla strumentazione disponibile per la fabbricazione del dispositivo [2].
Fanno parte dei sensori elettrochimici i transistori a effetto di campo (“Field-effect transistors”, FET) e i transistori elettrochimici (“Electrochemical transistors”, ECT) [2,3].
Biosensori
Una sotto classe molto importante nell’ambito della ricerca, che riscontra molte applicazioni pratiche, sono i biosensori. I biosensori sfruttano una molecola biologica (definita come elemento di bio-ricognizione, o biorecognition element in inglese) come ad esempio enzimi o anticorpi, per riconoscere specificamente la molecola di interesse (definita come analita) [4].
Questa interazione specifica è fondamentale perché viene trasformata in un segnale elettrico e quindi misurata e quantificata.
Nella ricerca, molti sforzi sono ora rivolti alla realizzazione di biosensori basati su FET o ECT poiché sono in grado di essere molto specifici per l’analita di interesse e di avere un tempo di risposta molto breve, altra proprietà importante per un biosensore.
Enzimi, anticorpi e recentemente anche aptameri (corte sequenze di DNA o RNA) hanno le caratteristiche ideali per essere incorporate in biosensori, data l’alta affinità per una molecola specifica.
In Figura 1, si mostrano un esempio di biosensore FET e alcuni degli elementi di bio-ricognizione più comunemente usati. Il biosensore viene funzionalizzato con gli elementi di bio-ricognizione, sfruttando principalmente interazioni chimiche o elettrostatiche; può essere funzionalizzato o il materiale semiconduttivo (canale), oppure gli elettrodi (specialmente l’elettrodo definito come “gate”).
Una delle grandi sfide che tutti i tipi di sensori e biosensori affrontano, è quella di riuscire a funzionare bene senza interferenze anche quando analizza matrici complesse.
Per raggiungere questo obiettivo è quindi indispensabile che solo l’analita interagisca con il sensore. Per questo motivo, per validare un biosensore sviluppato in laboratorio è necessario testarlo con possibili interferenti.
Dalla teoria alla pratica, dove vengono usati i biosensori
I sensori elettrochimici, e specialmente i biosensori, possono essere usati in una grande varietà di ambiti, da quello clinico e diagnostico, a quello ambientale fino a essere usati in ambito agroalimentare.
In Figura 2, questi e altri ambiti sono mostrati.
Le piccole dimensioni e, di conseguenza, la praticità dei sensori sono molto importanti per poter essere usati “in campo” e non solamente in ambito di laboratorio.
Questo vantaggio è evidente se i biosensori vengono paragonati con i metodi analitici classici usati nei settori precedentemente menzionati.
Per esempio, nel campo ambientale i sensori elettrochimici sono applicati per il rilevamento di molecole contaminanti come pesticidi, ioni metallici, prodotti chimici di scarto industriale e anche batteri patogeni o potenzialmente pericolosi per la salute umana e animale.
Biosensori nell’agroalimentare
L’importanza dei biosensori nell’ambito agroalimentare è evidente, in quanto possono essere utili per rilevare la presenza di agenti patogeni e/o lo stato di deterioramento di un prodotto.
Infatti, quando un prodotto da tavola inizia a deteriorarsi, è possibile accorgersene misurando la presenza di molecole specifiche, che altrimenti non sarebbero presenti.
Questo è molto importante, dato che ogni anno si contano milioni di casi di malattie di origine alimentare (più di 320mila solo in Europa) che possono essere causate da microorganismi, tossine (prodotte da batteri), parassiti, etc. [6,7].
Per esempio, l’istamina fa parte delle ammine biogene (composti organici che sono prodotti da microorganismi a partire dagli amminoacidi) e la sua presenza nel cibo (specialmente pesce) è causa della sindrome sgombroide, un’intossicazione alimentare [8].
Un biosensore elettrochimico è stato realizzato per la rilevazione di concentrazioni pericolose di istamina in pesce, sfruttando uno specifico anticorpo (anti-istamina) e la sua specifica interazione con l’istamina [8].
Il limite di rilevazione era di 2.48 pg/ml, che è sotto i limiti di istamina accettabili dalla FDA (Food and Drug Administration) [9].
Nell’ambito agrario, i (bio)sensori elettrochimici vengono usati per il monitoraggio del suolo o dell’acqua.
È importante rilevare per esempio la presenza di contaminanti, per prevenire eventuali contaminazioni dei raccolti; pesticidi, metalli pesanti e microplastiche sono solo alcuni dei contaminanti pericolosi e presenti nel suolo e nelle falde acquifere [2].
Un bio-FET è stato sviluppato per la rilevazione specifica di paration-metile, un insetticida la cui vendita è ora proibita in molti paesi [10,11].
Per validare il sensore, la funzionalità è stata dimostrata usando anche campioni di suolo e di riso, due matrici complesse.
Conclusioni
Il potenziale di sensori e biosensori è sempre crescente. Grazie alla loro specificità e facilità d’uso, possono essere implementati sul campo anche nel settore agrario e alimentare, per aiutare a prevenire malattie e/o contaminazione dell’ambiente.
Speriamo che tu abbia trovato la lettura di questo articolo sulle applicazioni dei biosensori nel settore agroalimentare interessante. Per altri contenuti simili, consulta la sezione Qualità del nostro sito web. E se vuoi restare sempre al passo con le ultime novità in fatto di Agrifood, iscriviti alla nostra Newsletter!
[1] “Sensor.” Merriam-Webster.com Dictionary, Merriam-Webster, https://www.merriam-webster.com/dictionary/sensor . Accessed 19 Jan. 2023.
[2] Elli, G., Hamed, S., Petrelli, M., Ibba, P., Ciocca, M., Lugli, P., & Petti, L., Field-Effect Transistor-Based Biosensors for Environmental and Agricultural Monitoring. Sensors, 22(11), 4178. (2022).
[3] Wang, D., Noël, V., & Piro, B., Electrolytic gated organic field-effect transistors for application in biosensors—A Review. Electronics, 5(1), 9. (2016).
[4] Higgins, I. J., & Lowe, C. R. Introduction to the principles and applications of biosensors. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. B, Biological Sciences, 316(1176), 3-11. (1987).
[5] Singh, S., Kumar, V., Dhanjal, D. S., Datta, S., Prasad, R., & Singh, J. Biological biosensors for monitoring and diagnosis. Microbial biotechnology: basic research and applications, 317-335. (2020).
[6] Schirone, M., Visciano, P., Tofalo, R., & Suzzi, G. Biological hazards in food. Frontiers in microbiology, 7, 2154. (2017).
[7] Efsa, “Le zoonosi veicolate da alimenti.” https://www.efsa.europa.eu/it/topics/topic/foodborne-zoonotic-diseases# Le più comuni malattie di salute pubblica a livello mondiale.
[8] Cattaneo, P. (2001). Sindrome Sgombroide—Intossicazione da Istamina. Sindrome Sgombroide—Intossicazione da Istamina.
[9] Shkodra, B., Demelash Abera, B., Cantarella, G., Douaki, A., Avancini, E., Petti, L., & Lugli, P. Flexible and printed electrochemical immunosensor coated with oxygen plasma treated SWCNTs for histamine detection. Biosensors, 10(4), 35. (2020).
[10] ATSDR, “Public Health Statement Methyl Parathion Public Health Statement Methyl Parathion,” pp. 1–7, 2001.
[11] Kumar, T. V., Pillai, S. K. R., Chan-Park, M. B., & Sundramoorthy, A. K.. Highly selective detection of an organophosphorus pesticide, methyl parathion, using Ag–ZnO–SWCNT based field-effect transistors. Journal of Materials Chemistry C, 8(26), 8864-8875. (2020).
Giulia Elli
Dottoranda in Food Engineering and Biotechnology presso il Sensing technologies Lab, dell’Università di Bolzano. Il suo progetto di ricerca si occupa di sviluppare sensori elettrochimici per la rilevazione di contaminanti ambientali, quali ad esempio le micro e nanoplastiche.
