Sensori e biosensori

SENSORI A TRASDUZIONE ACUSTICA

I sensori a trasduzione acustica sfruttano l’effetto piezoelettrico inverso: una tensione elettrica

applicata a cristalli come il quarzo determina una deformazione meccanica; eccitando il cristallo con

un segnale elettrico oscillante, si può innescare una risonanza meccanica. L’insieme di oscillatore

elettronico e quarzo costituisce il “sistema di trasduzione di massa”.

A seconda della direzione di sollecitazione meccanica o del campo elettrico rispetto alla direzione di

polarizzazione, il piezoceramico può avere diversi modi di vibrare:

▪ →

SAW (Surface Acoustic Wave”) i

sistemi SAW (in italiano, “onda acustica

di superficie”) producono onde

bidimensionali che si muovono lungo la

superficie del cristallo a causa di una

radiazione di frequenza opportuna che la

colpisce perpendicolarmente. I sistemi 84

SAW possono essere usati solo per analizzare gas.

▪ →

BAW (“Bulk Acoustic Wave”) i sistemi BAW (in italiano, “onda acustica di volume”)

sfruttano come parte sensibile del sensore un materiale piezoelettrico risonante (spesso,

quarzo) che ha una o entrambe le superfici

ricoperte da uno strato sottile sensibile. In questo

caso, l’eccitazione non è perpendicolare, ma

avviene lungo la faccia di cut-off del cristallo. I

sistemi BAW possono essere usati sia per i gas che

per i liquidi.

I sensori di tipo acustico presentano elevate sensibilità, breve tempo di risposta, consumano poco,

sono di piccole dimensioni e robusti. Gli svantaggi sono rappresentati dalla loro sensibilità

all’umidità e alla temperatura.

MICROBILANCIA A CRISTALLO DI QUARZO (QCM)

Un dispositivo QCM si basa su una lamina di quarzo opportunamente tagliata da un cristallo del

materiale e ricoperta sulle due facce da altrettanti elettrodi (es. in oro, argento o platino). Quando

viene applicata una corrente alternata, il cristallo di quarzo viene eccitato in modo vibrazionale alla

sua frequenza risonante. L’oscillazione meccanica del cristallo è massima nella zona in contatto con

gli elettrodi. Nella realizzazione di tali dispositivi, i metalli sono spesso evaporati direttamente sulla

placca di quarzo per costituire gli elettrodi.

La microbilancia a cristallo di quarzo può essere utilizzata come un sensore gravimetrico:

attraverso una reazione di affinità con l’analita, si verifica un aumento di massa sulla superficie del

sensore che provoca una diminuzione nella forza di oscillazione.

Le microbilance a cristallo di quarzo possono essere modificate per essere applicate in un’ampia

gamma di analisi: →

1. Immunosensori a base di QCM una delle superfici d’oro della QCM può essere modificata

con un anticorpo di modo da realizzare un immunosensore; 85

→

2. EQCM (Electochemical Quarz Crystal Microbalance) tale QCM elettrochimica può essere

ottenuta quando in una cella elettrochimica l’elettrodo di lavoro è rimpiazzato da una

microbilancia a cristallo di quarzo;

→

3. Analisi di gas con QCM l’analisi dei gas può essere effettuata indirizzando il flusso di gas

in analisi sulle due superfici d’oro della QCM, di modo da generare una pressione;

4. Biosensori per la determinazione di OGM che sfruttano una QCM.

Biosensore per la determinazione di OGM

Gli OGM (Organismi Geneticamente Modificati) sono definiti come organismi il cui genoma è stato

modificato con l’introduzione di un gene esogeno che esprime una proteina che conferisce nuove

caratteristiche (ad esempio resistenza ad erbicidi, antibiotici, virus o insetti).

Il DNA esogeno è inserito in una “cassetta” genica che contiene gli elementi necessari per

l’espressione: un promotore ed un terminatore. Il promotore 35S del virus del mosaico del

cavolfiore (CaMV) ed il terminatore Tnos di Agrobacterium tumefaciens sono usati per la produzione

della maggior parte delle piante transgeniche commerciali.

Un biosensore per la determinazione di OGM può essere realizzato sfruttando come biorecettori

degli oligonucleotidi con sequenza complementare a P35S e Tnos e come trasduttore una

microbilancia a cristallo di quarzo (costituita da un cristallo di quarzo piezoelettrico a sandwich fra

due elettrodi d’oro).

L’analisi di un campione alimentare OGM può dunque essere condotta come segue:

1. Si estrae il DNA dal campione di interesse;

2. Si esegue una PCR sul campione da analizzare per amplificare le regioni di DNA 35S e Tnos;

3. Si induce la denaturazione del frammento amplificato per ottenere un DNA a singolo

filamento;

4. Si mette in contatto il biosensore con il campione per far avvenire la reazione di ibridazione

fra il DNA a singolo filamento ottenuto e la sonda immobilizzata;

5. La variazione di massa del biorecettore causa una variazione della frequenza di oscillazione

nella QCM, che indica che nel campione era presente DNA 35S e Tnos. 86

Transistor ad effetto di campo (FET)

Il transistor ad effetto di campo (FET, “Field Effect

Transistor”) è un tipo di dispositivo elettrico che utilizza una

differenza di potenziale per controllare l’intensità di corrente

di un canale posto fra due elettrodi in materiali

semiconduttori. -4 7

Un semiconduttore è un materiale la cui resistività elettrica è compresa fra 10 -10 Ω·m, cioè che

risulta intermedia fra i metalli e gli isolanti; sono esempi di semiconduttori i solidi cristallini di silicio,

di germanio e di arseniuro di gallio.

I transistor prevedono l’utilizzo di due tipologie di semiconduttori:

▪ →

Silicio di tipo n si tratta di un cristallo di silicio drogato con fosforo; siccome il fosforo

presenta un elettrone in più non impiegato nella struttura cristallina covalente, questo

agisce come elettrone di conduzione. Tale semiconduttore presenta dunque un eccesso di

elettroni.

▪ →

Silicio di tipo p si tratta di un cristallo di silicio drogato con alluminio; siccome l’alluminio

presenta un elettrone in meno rispetto al numero necessario per completare la struttura

cristallina covalente, il semiconduttore presenta un eccesso di lacune, cioè di vacanze

elettroniche. Tale conduttore presenta dunque una parziale carica positiva. 87

Ponendo a contatto un cristallo di silicio di tipo n ed un cristallo di silicio di tipo p, si va a creare una

giunzione p-n, la quale costituisce un diodo, cioè un componente elettronico in grado di permettere

il flusso di corrente elettrica in un verso e di bloccarla quasi totalmente nell’altro.

Si possono avere due tipologie di polarizzazione, a seconda di come si collegano i terminali di un

generatore di corrente alla giunzione p-n:

→

1. Polarizzazione diretta il terminale positivo è collegato alla regione di tipo p ed il terminale

negativo alla regione di tipo n. In tal caso, gli elettroni nella regione di tipo n e le lacune nella

regione di tipo p vengono spinte verso la giunzione, per cui la differenza di potenziale sulla

giunzione diminuisce e questo fa sì che possa scorrere una corrente apprezzabile.

→

2. Polarizzazione inversa il terminale positivo è collegato alla regione di tipo n ed il terminale

negativo alla regione di tipo p. In tal caso, gli elettroni nella regione di tipo n e le lacune nella

regione di tipo p vengono spinte lontano dalla giunzione, per cui si genera una regione di

impoverimento e la differenza di potenziale sulla giunzione aumenta, per cui la corrente

inversa che può scorrere è bassissima. 88

COSTITUZIONE E FUNZIONAMENTO

Nel FET, il corpo del dispositivo (detto “base”) è Si-p con due regioni di Si-n dette “source” e “drain”.

La parte superiore della base è coperta da un sottile strato isolante di SiO . Al di sopra di tale strato

2

si trova un conduttore metallico detto “gate”.

Quando viene applicata una differenza di potenziale fra source e drain, circola una piccola corrente;

l’interfaccia drain-base è infatti una giunzione p-n in polarizzazione inversa, per cui attorno al drain

si genera una regione di impoverimento ad alta resistenza. Quanto più positivo sarà il gate, tanto

maggiore sarà la quantità di corrente che può circolare attraverso il canale di conduzione (che

collega le due regioni di Si-n, source e drain).

I FET possono essere utilizzati come trasduttori nella realizzazione di sensori e biosensori. In

particolare, la principale caratteristica del transistore ad effetto di campo utilizzabile come sensore

chimico è lo strato chimicamente sensibile presente sopra il gate. 89

ISFET (FET IONOSELETTIVI)

I transistor ad effetto di campo ionoselettivi (ISFET) vengono utilizzati per la determinazione di

specie ioniche in soluzione e differiscono dai FET generici in quanto prevedono:

▪ Un elettrodo di riferimento che sostituisce il terminale gate;

▪ Un film di Si N , Al O o Ta O che ricopre la superficie del bulk e garantisce una risposta

3 4 2 3 2 5

lineare in funzione della concentrazione di analita (gate isolante);

▪ Una membrana ionoselettiva, costituita da PVC e valinomicina, la quale contiene dipoli

elettrici e consente quindi l’inclusione di ioni metallici.

In tali ISFET, viene applicata una differenza di potenziale ai terminali del dispositivo e la corrente

elettrica di drain passante nel semiconduttore varia unicamente in funzione dell’attività dello ione

cui la membrana è sensibile.

CHEMFET

I transistor a effetto di campo chemiosensibili (CHEMFET) non sono utili per determinazioni in

soluzione elettrolitica, bensì per determinare la pressione parziale di un dato componente in miscele

gassose.

La superficie sensibile è costituita da ossidi di metalli di transizione, opportunamente drogati,

rivestiti da un film polimerico di materiale semiconduttore (ad esempio, il polyHEMA). Su questa

superficie possono essere facilmente adsorbite specie gassose (es. O , NO , H S, NH , H O) che

2 2 2 3 2

facilmente cedono o accettano elettroni, causando così la formazione di cariche superficiali che a

loro volta causano la variazione delle proprietà di conduzione del semiconduttore stesso.

,

Generalmente, viene misurata la conducibilità espressa come

Δ =

dove è una costante dipendente dalla natura del semiconduttore e dal tipo di drogaggio, è la

pressione parziale della specie gassosa in esame ed è un coefficiente dipendente dalle proprietà

chimico-fisiche della miscela gassosa in esame.

I CHEMFET possono essere utilizzati per varie applicazioni:

▪ In campo biomedico, possono essere impiegati per la misura dell’acidità dei fluidi biologici e

per determinare la concentrazione di metalli alcalini n