I sensori elettrochimici miniaturizzati per una misura sostenibile dell’acqua

Il gruppo di ricerca di Chimica Analitica del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche dell’Università degli Studi di Roma Tor Vergata, coordinato dai Proff. G. Palleschi e D. Moscone, è attivo da oltre trenta anni nello sviluppo di sensori innovativi per il monitoraggio di inquinanti ambientali. La ricerca è focalizzata sullo sviluppo di metodi analitici rapidi, economici, di facile utilizzo ad alte prestazioni.

L’inquinamento delle acque rappresenta un serio problema, e  recentemente il network europeo Norman ha stilato una lista di 700 inquinanti emergenti riscontrati nelle acque superficiali europee. Da qui la necessità di metodi analitici sensibili per analizzare tali composti, spesso presenti a livelli di tracce. I metodi di analisi tradizionali, per quanto sensibili, comportano l’utilizzo di strumentazioni costose, laboratori ben equipaggiati e di personale specializzato. Il nostro obiettivo è lo sviluppo di sensori elettrochimici stampati che permettono una facile, sensibile e sostenibile analisi on site anche da parte di personale non specializzato.

Per chi non è del settore, questi sistemi possono sembrare lontani dalla nostra vita, in realtà alcuni sono utilizzati quotidianamente. Le striscette impiegate dai pazienti diabetici per il controllo del livello di glicemia sono, infatti, sensori elettrochimici stampati e, in particolare, biosensori in cui l’enzima glucosio ossidasi viene immobilizzato sull’elettrodo di lavoro. Tale biosensore permette di determinare in maniera specifica il glucosio in una matrice complessa come il sangue, con un notevole miglioramento della qualità di vita del paziente diabetico.

La nostra attività di ricerca si basa proprio sullo sviluppo di sensori simili, che, se funzionalizzati ad hoc con enzimi, anticorpi, DNA, polimeri e/o nanomateriali, possono determinare selettivamente diversi composti come metalli pesanti, tossine, pesticidi, armi chimiche, batteri, etc. Essi sono prodotti presso i nostri laboratori mediante un processo di stampa serigrafica, ed è loro sufficiente una strumentazione portatile: un sensore, un potenziostato e un computer (Figura 1).

Basandoci sull’eccezionale versatilità dei sensori stampati, abbiamo ad esempio realizzato un biosensore per la misura di pesticidi organofosforici e carbammici nell’acqua del Tevere. La tossicità di tali composti è dovuta alla loro proprietà di inibire un enzima chiave della trasmissione dell’impulso nervoso, l’enzima acetilcolinesterasi, e proprio questo enzima viene da noi immobilizzato sul sensore. Se nel campione è presente un pesticida organofosforico o carbammico, l’attività dell’enzima diminuirà e sarà quindi osservata una diminuzione del segnale proporzionale alla quantità di pesticida presente nel campione. Questo biosensore è stato poi integrato in un sistema in flusso per la misura continua di pesticidi, così da analizzare l’acqua anche in assenza di operatore.

Modificando i sensori stampati con nanomateriali quali nanoparticelle d’oro e carbon black è stato possibile individuare l’arsenico (As(III)) in campioni di acqua potabile con un basso limite di rilevabilità pari a 0.4 ppb, tenendo conto che il limite di legge per l’arsenico è di 10 ppb. La nano-ingegnerizzazione accoppiata a strumenti portatili ci ha permesso di misurare il fosfato, importante nel processo di eutrofizzazione delle acque. Grazie alle ottime prestazioni analitiche, anche questo sensore è stato integrato in un sistema in flusso per la misura di fosfato in campioni di acque di fiume e lago.

Sebbene queste tecnologie già consentano una semplificazione importante in campo analitico, l’utilizzo della carta come materiale per la produzione di questi sensori li rende ancora più sostenibili.

La carta, con le sue proprietà assorbenti, consente di deporre su di essa tutti i reagenti necessari per la misura. Abbiamo testato questa possibilità adottando la carta come materiale su cui realizzare un sensore per il fosfato, utilizzando una semplice stampante ad inchiostri a base di cera per creare delle vere e proprie barriere nella carta dove poter confinare i reagenti (Figura 2). Sensori stampati, carta e contorni in cera hanno permesso di analizzare l’acqua del fiume Po ponendo direttamente il campione sul sensore, evitando sia i trattamenti del campione sia l’impiego di reagenti chimici da parte dell’operatore.

Questo rappresenta il nostro punto di partenza per lo sviluppo di nuovi sensori su carta che possono essere utilizzati sia dal cittadino sia dagli enti preposti per il monitoraggio delle acque, contribuendo ad un miglioramento della qualità dell’ ambiente e della nostra salute.