I nanosensori sono dispositivi di dimensioni nanometriche che misurano quantità fisiche e le convertono in segnali che possono essere rilevati e analizzati.
I nanosensori possono essere utilizzati per rilevare informazioni chimiche o meccaniche come la presenza di specie chimiche e nanoparticelle o monitorare parametri fisici.
I nanosensori sono specifici o selettivi nella loro capacità di rilevare un numero di analiti. Alcuni possono avere la capacità di rilevare solo un tipo di analita e quel nanosensore è chiamato singlex mentre altri possono rilevare molti analiti e sono noti come multiplex.
applicazioni
I nanosensori sono usati, tra l’altro, nella diagnostica medica e nella comprensione della neurofisiologia, nel monitoraggio dell’inquinamento per rilevare varie sostanze chimiche, per monitorare la segnalazione e il metabolismo delle piante e comprenderne la loro biologia.
Rilevando, tra l’altro caratteristiche fisiche come volume, movimento, concentrazione, velocità, gravità, forza magnetica, pressione, temperatura ed elettricità, i nanosensori individuano le singole cellule a livello molecolare per somministrare farmaci e monitorare la crescita di particolari parti del corpo.
Classificazione dei nanosensori
I nanomateriali vengono sempre studiati per le loro proprietà elettriche, magnetiche e meccaniche e per le loro numerose applicazioni come quelle biomediche, agricole, sensori di gas, batterie e strumenti optoelettronici. Grazie all’ampio rapporto superficie/volume i nanomateriali forniscono una sensibilità ancora migliore per la reazione chimica superficiale.
Per sintetizzare i nanomateriali è possibile utilizzare due metodi diversi, come l’approccio bottom-up, l’approccio top-down, l’approccio chimico, il processo elettrochimico, il processo sol-gel e il metodo solvotermico. I materiali nanostrutturati utilizzati nella produzione di nanosensori includono: fili su scala nanometrica, nanomateriali polimerici, nanotubi di carbonio, nanoparticelle e film sottili.
I nanosensori possono essere classificati sulla base della fonte energetica in due tipi, ovvero nanosensori attivi come termistori ovvero resistori il cui valore di resistenza varia in maniera significativa con la temperatura e nanosensori passivi come i nanomateriali piezoelettrici. Un altro metodo di classificazione dei nanosensori si basa sulle loro proprietà e si suddividono in nanosensori ottici, elettromagnetici e meccanici e/o vibrazionali.
Nanosensori ottici
I nanosensori ottici sono sensori su scala nanometrica che convertono i raggi luminosi in un segnale elettronico. I primi nanosensori ottici sono stati realizzati in poliacrilammide con nanoparticelle fluorescenti e sono stati utilizzati per misurare il pH. I sensori fluorescenti sono specie che hanno almeno uno o più elementi leganti e una o più unità fotosensibili.
Un fluoroforo riceve la luce ad una certa lunghezza d’onda, seguita da un quanto di assorbimento di luce che corrisponde alla differenza di energia tra lo stato fondamentale e lo stato eccitato. La fluorescenza è attualmente la tecnologia di trasduzione preferita per la sua elevata sensibilità e relativa facilità d’uso. Per effettuare la misurazione è possibile legare le nanoparticelle attive alle proteine all’interno della cellula per consentire misurazioni in tempo reale o generare un nanomateriale con siti di attacco dei biorecettori .
funzionamento
I nanosensori ottici sono dispositivi basati su un accoppiamento spaziale diretto tra molecole biologicamente attive e un elemento trasduttore di segnale interfacciato, apparecchiature elettroniche per l’amplificazione, l’acquisizione e la registrazione del segnale.
Sono costituiti da molecole di bioriconoscimento immobilizzate covalentemente su fibre ottiche che fungono da elemento trasduttore. Combinando la specificità delle molecole di bioriconoscimento e l’eccellente sensibilità del rilevamento ottico, i nanosensori ottici sono in grado di rilevare e differenziare costituenti biochimici di sistemi complessi che consentono l’approvviggionamento di sostanze e l’identificazione di specifici eventi molecolari all’interno delle cellule viventi.
Nanosensori elettromagnetici
Possono essere classificati sulla base del loro monitoraggio mediante calcolo della corrente elettrica o mediante calcolo del campo magnetico. I nanosensori elettromagnetici sono in grado di rilevare analiti legati a una struttura misurando l’aumento o l’inibizione della corrente che si verifica come risultato del legame dell’analita.
Ad esempio, le nanoparticelle d’oro subiscono un cambiamento nel loro comportamento di trasporto degli elettroni quando le molecole di solfuro di idrogeno vengono adsorbite sulla loro superficie, consentendo un rilevamento molto sensibile dell’idrogeno solforato.
Questi sensori sfruttano materiali e tecniche di fabbricazione avanzati, consentendo sensibilità e precisione nell’acquisizione e nell’analisi dei segnali elettromagnetici. Caratterizzati da dimensioni ridotte e maggiore efficienza, trovano applicazioni in diversi settori, tra cui sanità, telecomunicazioni e monitoraggio ambientale.
Nel settore sanitario sono promettenti per il rilevamento precoce delle malattie e nella medicina personalizzata, offrendo un approccio rivoluzionario alla diagnostica. Inoltre, l’integrazione dei nanosensori elettromagnetici nelle tecnologie di comunicazione consente velocità di trasferimento dati e connettività migliorate, spingendo il mercato in avanti nel contesto delle reti 5G e oltre.
Nanosensori meccanici
I nanosensori meccanici possiedono vantaggi rispetto a quelli ottici e a quelli elettromagnetici per il rilevamento di proprietà meccaniche su scala nanometrica. Quando il materiale viene manipolato fisicamente, i nanosensori meccanici modificano la loro conduttività elettrica e questo cambiamento può essere misurato con un condensatore collegato.
Il meccanismo operativo fondamentale dei sensori meccanici è la trasformazione delle deformazioni meccaniche in segnali elettronici transducendo la deformazione meccanica in variazioni del segnale elettrico.
Vengono utilizzati per monitorare e misurare le proprietà del materiale come forza, pressione, spostamento, temperatura, pressione e massa. Questi sensori hanno una vasta gamma di applicazioni pratiche, tra cui assistenza sanitaria e sicurezza personalizzata, protezione ambientale, difesa e comunicazioni wireless subacquee.
Nanosensori a base di carbonio
I materiali più studiati e attualmente utilizzati nel campo delle nanotecnologie sono quelli a base di carbonio. Le strutture carboniose presentano numerosi vantaggi rispetto ad altri materiali comunemente impiegati, in particolare le loro straordinarie proprietà fisico-chimiche. I processi di produzione possono essere semplici e produrre una quantità adeguata di materiale.
nanotubi
Pertanto, le nanostrutture di carbonio sono state studiate per essere utilizzate come potenti sensori, poiché presentano parametri fisici e chimici superiori che producono proprietà di rilevamento di alta qualità. In particolare i fullereni, a causa della loro struttura a gabbia, elevata reattività e biocompatibilità, vengono applicati in sistemi di sensori che favoriscono le interazioni chimiche e biologiche tra il dispositivo e l’analita.
Nanodiamanti, fullereni, grafene, nanotubi di carbonio e strutture ibride sono stati ampiamente utilizzati grazie alle loro proprietà elettriche, termiche, meccaniche e chimiche di alta qualità. I nanotubi di carbonio sono dotati di un elevato rapporto superficie-volume che consente inoltre lo sviluppo di sensori di gas altrettanto validi di quelli prodotti utilizzando la struttura del grafene.