Sensori chimici e biosensori: dalla ricerca alle applicazioni, intervista a Chiara Zanardi

La quarta Scuola nazionale di Roseto degli Abruzzi mette al centro la formazione dei giovani ricercatori e il dialogo con le imprese. Le domande alla direttrice sulle prospettive della sensoristica per salute, ambiente e industria

Misurare un contaminante nell’acqua, riconoscere un indicatore biologico, controllare la sicurezza di un processo produttivo: sono alcune delle applicazioni al centro della ricerca sui sensori chimici e biosensori. Per trasformare un dispositivo sperimentale in uno strumento utile servono competenze scientifiche, capacità di interpretare i dati e verifiche della sua affidabilità.

In vista dell’appuntamento, abbiamo rivolto le nostre domande alla direttrice della Scuola, Chiara Zanardi, professoressa ordinaria di Chimica Analitica all’Università Ca’ Foscari Venezia e coordinatrice del Gruppo Tematico Sensori della Società Chimica Italiana, per approfondire opportunità e sfide di questo settore.

Professoressa Zanardi, partiamo da una spiegazione per i lettori: che cosa distingue un sensore chimico da un biosensore? Può indicarci un’applicazione concreta che aiuti a comprenderne l’utilità nella vita quotidiana?

In entrambi i casi, il dispositivo è progettato per identificare o quantificare una specifica specie chimica all’interno di campioni dalla composizione complessa, come il sangue o le acque naturali. Nel biosensore, il riconoscimento del bersaglio è affidato a un elemento di origine biologica, per esempio un anticorpo o un filamento di DNA.

Il termine «sensore» è invece più ampio e comprende anche dispositivi che impiegano elementi di riconoscimento non biologici, come polimeri o molecole dotate di specifici gruppi funzionali. Tra i biosensori più noti vi è quello per la misurazione del glucosio nel sangue, utilizzato dalle persone con diabete. Per il controllo delle acque è invece particolarmente importante il sensore che monitora l’ossigeno disciolto, impiegato sia in ambito industriale sia in ambito domestico per la gestione degli acquari.

La Scuola nazionale arriva alla quarta edizione. Quali esigenze formative volete affrontare e quali competenze dovrebbe acquisire un giovane ricercatore per passare dalla conoscenza dei principi alla progettazione di un dispositivo?

Poiché a ogni edizione la scuola si rivolge a un pubblico di studenti diverso, il programma riprende i principi di funzionamento dei sensori più consolidati, come quelli elettrochimici e ottici. A questi fondamenti si affiancano approfondimenti sui temi emergenti della sensoristica: dall’automazione delle analisi al disegno sperimentale per ottimizzare i dispositivi, fino ai nuovi approcci di trasduzione, come quelli basati sulla luminescenza, e allo sviluppo di materiali innovativi per il riconoscimento selettivo delle specie di interesse.

Tra i suoi ambiti di ricerca figurano i sensori indossabili per il monitoraggio di biomarcatori nei fluidi biologici. Quali prospettive considera più promettenti per la salute e quali ostacoli devono essere superati prima che questi strumenti possano trovare un impiego clinico affidabile?

Una tendenza del mercato è lo sviluppo di dispositivi indossabili, come gli smartwatch, in grado di monitorare parametri chimici e affiancare così la rilevazione di quelli fisici, già diffusa, per esempio, per la frequenza cardiaca. L’obiettivo è mettere in relazione questi dati per aiutare l’utente a valutare il proprio livello di stress o le proprie prestazioni sportive sulla base di diversi parametri fisiologici.

Una delle principali sfide in questo settore è la necessità di sostituire con frequenza almeno giornaliera la componente sensibile del sensore chimico. Anche in ambito clinico sono in corso numerosi studi; tra gli approcci oggi più promettenti vi è quello basato su microaghi applicati al braccio.

Oltre ai sensori per il glucosio, già disponibili in commercio, si stanno sviluppando dispositivi per monitorare altre patologie. La loro introduzione, tuttavia, richiede studi clinici spesso lunghi, e in ambito medico non sempre è immediata l’accettazione di metodi di analisi meno tradizionali.

Sul fronte ambientale, come possono i sensori contribuire al controllo della qualità dell’aria e dell’acqua? Quali verifiche sono necessarie per ottenere misure attendibili fuori dal laboratorio, dove temperatura, umidità e presenza di altre sostanze possono influenzare i risultati?

Anche il monitoraggio ambientale è al centro di un’intensa attività di ricerca, come dimostrano i numerosi bandi europei che promuovono lo sviluppo di dispositivi portatili e, ove possibile, impiantabili, per misurare con maggiore precisione diversi parametri chimici.

Questi strumenti potrebbero aiutare a valutare se le condizioni ambientali favoriscano una determinata evoluzione ecologica e a segnalare tempestivamente la presenza di contaminanti nell’acqua potabile. Come ha osservato, i sensori devono fornire risposte affidabili anche in presenza di ampie variazioni delle condizioni atmosferiche e chimiche. Per questo vengono sottoposti a numerosi test di laboratorio, che simulano diversi scenari, e la configurazione dei dispositivi viene adattata per compensare tali variazioni.

Un approccio sempre più diffuso consiste nell’affiancare al sensore principale altri sensori, che rilevano parametri come temperatura e umidità. Le misure raccolte possono così essere usate per correggere e interpretare il segnale del dispositivo. A questo scopo si ricorre sempre più spesso a modelli di intelligenza artificiale, addestrati sui dati acquisiti.

Il programma comprende anche l’ottimizzazione degli esperimenti e l’analisi dei dati. Quanto conta questa fase per interpretare correttamente il segnale di un sensore? Quale contributo possono offrire le tecniche multivariate e l’intelligenza artificiale, e con quali limiti?

Il disegno sperimentale è oggi uno strumento fondamentale per ottimizzare le prestazioni dei sensori. Eppure, spesso l’ottimizzazione viene ancora condotta modificando un solo parametro alla volta. Anche nell’elaborazione dei dati, associare un singolo valore del segnale a un singolo parametro chimico difficilmente consente di ottenere una quantificazione accurata, a meno che non si utilizzino biosensori, che però spesso non sono adatti alle condizioni di misura.

Per questo, anche grazie ai progressi dell’intelligenza artificiale, si ricorre sempre più spesso all’analisi multivariata. In base alla mia esperienza, il principale limite di questo approccio è la necessità di raccogliere un numero molto elevato di segnali per addestrare modelli affidabili. È inoltre indispensabile disporre di sensori stabili e altamente riproducibili.

La Scuola punta anche sul dialogo tra ricerca e imprese. Qual è oggi il passaggio più difficile per trasformare un prototipo in una tecnologia utilizzabile? Quali forme di collaborazione vorrebbe far nascere dall’incontro di Roseto, a beneficio dei giovani ricercatori e delle aziende?

Spesso le imprese si rivolgono a noi ricercatori aspettandosi di trovare un prototipo già adatto alle proprie esigenze e pensando che basti una breve collaborazione per portarlo sul mercato. Nella maggior parte dei casi, però, le risorse disponibili e gli obiettivi della ricerca ci consentono di verificare l’applicabilità del sensore in condizioni di laboratorio.

Per sviluppare un sensore destinato al mercato serve un dialogo solido tra ricerca e impresa, che permetta di definire insieme gli scenari d’uso del dispositivo e le reali esigenze del mercato. Molti ricercatori che lavorano nel campo della sensoristica auspicano che questa collaborazione si sviluppi sempre di più.