I sensori fluorescenti presentano una vasta gamma di applicazioni in chimica analitica, biochimica e biologia grazie alla loro eccellente sensibilità, selettività e semplicità d’uso e sono, secondo la I.U.P.A.C., una delle prime dieci tecnologie più avanzate del 2022.
In particolare gli scienziati utilizzano molti tipi diversi di sensori fluorescenti, inclusi punti quantici, nanotubi di carbonio e proteine fluorescenti, per etichettare le molecole all’interno delle cellule. Tuttavia lo sviluppo dei sensori fluorescenti selettivi, sensibili, economici e a risposta rapida per rilevare richiede una lunga ricerca.
Negli ultimi anni, i sensori fluorescenti sono stati ampiamente studiati per la valutazione efficace degli ioni metallici nei sistemi viventi grazie alla loro elevata sensibilità, selettività, capacità di eseguire un monitoraggio non invasivo in tempo reale e versatilità.
Gli ioni metallici svolgono infatti ruoli cruciali in molti processi biochimici e pertanto la loro caratterizzazione quantitativa è stata fatta con tecniche analitiche sofisticate come la spettrometria di massa abbinata al plasma accoppiato induttivamente che, tuttavia, richiedono attrezzature costose e una complessa preparazione dei campioni, rendendo difficile il rilevamento in tempo reale.
Per far fronte a queste limitazioni, i sensori fluorescenti per il rilevamento di ioni metallici mostrano, oltre alle proprietà necessarie, consentono l’imaging simultaneo e non invasivo della distribuzione di ioni metallici nei sistemi biologici in tempo reale. Inoltre i sensori fluorescenti possono rilevare piccole molecole, tra cui specie carboniliche, derivati del solfito, glutatione, perossido di idrogeno e perossinitrito.
Fluorescenza e sensori fluorescenti
Il fenomeno della fluorescenza è dovuto a un assorbimento della luce incidente da parte del campione con una successiva emissione di radiazioni di lunghezza d’onda diversa da quella incidente. La fluorescenza è creata dall’assorbimento di energia da parte di molecole fluorescenti, chiamate fluorofori che eccita gli elettroni a un livello di energia superiore. Poiché questo stato eccitato è instabile, gli elettroni ricadono nello stato fondamentale e quindi emettono luce.
Poiché una parte dei fotoni assorbiti viene convertita in movimento e calore l’energia che viene rilasciata quando gli elettroni ricadono è sempre inferiore all’energia richiesta per eccitare l’elettrone. Dato che la radiazione con lunghezza d’onda maggiore è meno energetica della radiazione con lunghezza d’onda minore, l’emissione ha sempre una lunghezza d’onda maggiore rispetto alla luce utilizzata per l’eccitazione.
La conseguenza di questa perdita di energia è lo spostamento dello spettro di emissione verso lunghezze d’onda maggiori rispetto allo spettro di assorbimento. Questo fenomeno che prende il nome dal fisico irlandese George G. Stokes chiamato spostamento di Stokes che è dato dalla differenza tra le posizioni dei massimi di banda degli spettri di assorbimento e di emissione della stessa transizione elettronica.
Tipi di sensori fluorescenti e applicazioni
I sensori, costituiti da fluorofori, possono essere sensori chimici detti chemosensori o biosensori. I chemosensori sono costituiti da almeno due subunità: la prima è un recettore selettivo nei confronti della specie che si vuol rilevare e la seconda è costituita dall’unità capace di segnalare la presenza della specie detto trasduttore che trasforma un cambiamento chimico in segnale fisico, che viene registrato.
La fluorescenza viene solitamente utilizzata come trasduttore ottico perché è sensibile e fornisce una risposta visiva rapida. Il rilevamento della fluorescenza di solito utilizza uno dei seguenti caratteri: variazione dell’intensità della fluorescenza “accensione” o “spegnimento”, spostamento spettrale (cambio di colore), variazione della durata della fluorescenza e variazione della polarizzazione.
Questi cambiamenti possono essere innescati dall’interazione tra sensori e analiti di interesse. I materiali utilizzati come strati di rilevamento variano da metalli e ossidi metallici, composti cristallini inorganici e materiali amorfi, polimeri organici e materiali compositi.
I biosensori sono costituiti da macromolecole che combinano l’elevata sensibilità del rilevamento della fluorescenza con l’elevata selettività fornita dalle proteine che legano i leganti. I biosensori ottici basati sul rilevamento della fluorescenza sono stati utilizzati in diverse analisi alimentari.
Enzimi, anticorpi, antigeni, recettori, acidi nucleici, cellule e tessuti sono alcuni esempi di materiali biologici utilizzati come elementi di bioriconoscimento nei biosensori ottici.
I sensori fluorescenti sono utilizzati per l’analisi di ioni metallici, alogenuri, citrati, carbossilati, fosfati, ATP, molecole neutre come zuccheri e, in particolare glucosio, e gas come ossigeno, biossido di carbonio e ossidi dell’azoto.