I biosensori elettrochimici sfruttano le proprietà redox naturali di molti processi biologici, come la catalisi enzimatica e altri eventi leganti. I sensori elettrochimici utilizzano elettrodi che sono spesso funzionalizzati con enzimi attivi redox. Quando la molecola bersaglio è coinvolta in una reazione con l'enzima, il guadagno o la perdita di elettroni viene misurato e correlato alla concentrazione. In questo video, esamineremo i principi del rilevamento elettrochimico, quindi descriveremo le basi di un sensore elettrochimico di esempio, il biosensore di glucosio nel sangue.

Per prima cosa, analiamo i concetti generali alla base di un biosensore elettrochimico. Come le classiche celle elettrochimiche, questi sensori sono normalmente composti da tre elettrodi: l'elettrodo di lavoro, il controelettrodo e l'elettrodo di riferimento. La reazione avviene all'elettrodo di lavoro, mentre il controelettrodo completa il circuito. L'elettrodo di riferimento fornisce un punto di riferimento stabile per il potenziale redox. I materiali degli elettrodi vengono scelti in base al tipo di sensore, all'analita da rilevare e alla tecnica di misurazione utilizzata. Al fine di aumentare la specificità della molecola bersaglio, l'elemento di bioriconoscimento, come enzimi complementari, anticorpi o DNA a singolo filamento, viene immobilizzato sulla superficie degli elettrodi e utilizzato per catturare la molecola bersaglio corrispondente. Quindi viene applicato un segnale elettrico, che si traduce nella riduzione o ossidazione del bersaglio. Questo crea un surplus o un deficit di elettroni, che viene rilevato. Ora, usando la classica cella a tre elettrodi come esempio, diamo un'occhiata a come i sensori elettrochimici misurano questo evento redox.

I sistemi elettrochimici sono suddivisi in diverse categorie: amperometriche, potenziometriche e impedimetriche in base al tipo di segnale di uscita misurato. I dispositivi amperometrici misurano la variazione delle correnti tra gli elettrodi funzionanti e quelli controelettrodi quando la tensione è nota. L'ingresso di tensione viene mantenuto a un valore costante o come rampa lineare o viene ciclico continuo tra due valori. La variazione di corrente di ossidazione o riduzione misurata è direttamente proporzionale alla concentrazione di analita. Per ulteriori informazioni su questa tecnica si prega di fare riferimento al nostro video voltammetria ciclica.

I dispositivi potenziometrici misurano la variazione di tensione tra l'elettrodo di lavoro e l'elettrodo di riferimento a corrente costante. La concentrazione della soluzione può quindi essere calcolata utilizzando la variazione del potenziale.

Infine, i dispositivi impedimetrici misurano il cambiamento nella conduttività elettrica della soluzione analita. Misurando la variazione di corrente tra gli elettrodi di lavoro e i controelettrodi nel tempo a una frequenza di tensione A/C di ingresso nota. Da questa corrente in tensione, viene calcolata l'impedenza della soluzione analita. Questa impedenza diminuisce quando la conduttività elettrica della soluzione analita aumenta e aumenta quando diminuisce la conduttività elettrica della soluzione analita.

Dopo aver esaminato i principi e i diversi tipi di rilevamento elettrochimico, diamo ora un'occhiata al funzionamento di un biosensore elettrochimico, il sensore palmare di glucosio nel sangue come esempio. L'attuale test a casa sui livelli di zucchero nel sangue viene eseguito utilizzando elettrodi serigrafati su strisce usa e getta. Queste strisce di elettrodi, o circuiti, vengono quindi rivestite con l'enzima e lo strato mediatore, uno strato di assorbimento liquido e una pellicola protettiva del circuito, il tutto tenuto insieme da sottili fogli adesivi e distanziali. Lo strato di assorbimento liquido della striscia aiuta la separazione delle cellule del sangue in modo che solo il siero del sangue raggiunga l'enzima e gli elettrodi coperti dal mediatore. Infine, viene applicata una tensione tra gli elettrodi, che innesca la reazione redox del mediatore enzimatico del glucosio sullo strato mediatore-enzima immobilizzato. Il glucosio nel siero del sangue viene convertito in acido gluconico riducendo l'enzima glucosio ossidasi. L'enzima ridotto ritorna al suo stato ossidato perdendo gli elettroni alla molecola mediatore, riducendo così il mediatore. Ora questo mediatore ridotto funge da navetta per gli elettroni tra lo strato mediatore-enzima e lo strato di elettrodo sottostante;  perde gli elettroni sulla superficie degli elettrodi e si ossida, generando corrente all'elettrodo. Questo aumento di corrente, misurato a un dato potenziale, è direttamente proporzionale alla concentrazione di glucosio nel campione.

Dopo aver esaminato l'elettrochimica della glucosio ossidasi, diamo una rapida occhiata al sensore di glucosio utilizzato su un paziente. Il sangue per questo test viene raccolto utilizzando una lancetta di sicurezza. Quindi, il sangue raccolto viene accuratamente individuato sull'area di raccolta del sangue della striscia monouso per test accurati. Il glucometro conta gli elettroni depositati dal mediatore agli elettrodi come corrente e quindi calcola quanto glucosio ci è voluto per generare così tanta elettricità. Il glucometro visualizza quindi quel numero sul suo schermo.

Ora che abbiamo coperto i principi e la procedura alla base dei sensori di glucosio nel sangue, vediamo come le ricerche stanno applicando il biorifendamento elettrochimico in altri campi. Il rilevamento elettrochimico può anche essere utilizzato per rilevare il cancro. In un sistema di sensori, gli anticorpi specifici della proteina tumorale vengono immobilizzati sulla superficie delle perle magnetiche, che vengono incubate nella soluzione campione, seguite da una seconda soluzione anticorpale redox attiva rivelante che è anche complementare al bersaglio. Le perle vengono quindi catturate utilizzando campi magnetici sulla superficie di un elettrodo e vengono eseguite misurazioni amperometriche per rilevare la concentrazione di proteine tumorali nel campione.

Infine, l'elettrochimica viene utilizzata anche con microrganismi per generare energia, nota come celle a combustibile bioelettrochimiche. I microrganismi vengono coltivati per formare un film sulla superficie dell'anodo o del catodo della cella a combustibile. Le proteine attive redox nei microbi partecipano alle reazioni redox degli elettrodi, che generano elettroni e producono energia che viene sfruttata per altre applicazioni.

Hai appena visto il video di Jove sul bioening elettrochimico. Questo video conteneva una panoramica di base dei principi chiave dei biosensori elettrochimici e spiegava in dettaglio il funzionamento del sensore di glucosio nel sangue. Infine, abbiamo illustrato alcune applicazioni reali del bioening elettrochimico. Grazie per l'attenzione.