Sintesi e caratterizzazione di nuovi materiali nanostrutturati per sensori amperometrici

Electrochemical (bio)sensors are often considered a viable alternative to the bulky, expensive, and complex analytical instruments used in the laboratory, as they can provide reliable results at lower times and costs. Recently, wearable (bio)sensors have received growing consideration from scientific and medical communities, since they constitute non-invasive and cheap devices to monitor, also by remote, parameters of primary importance for human health or fitness goals from the analysis of human fluids (sweat, saliva, tears, and interstitial fluid). Human sweat is often preferred, since it enables non-invasive monitoring of many parameters at the same time, e.g. electrolytes, glucose, lactate, ethanol. Selectivity towards a particular biomarker is given by specific biorecognition elements which should be stably anchored on the surface of the employed electrode. Graphene and its related materials (GRM) have been largely employed for the realization of electrochemical devices, since they possess nanosized dimensions and oxidized functional groups that can be exploited to achieve covalent functionalization of the nanomaterial with defined (bio)receptors and to activate electrocatalytic effects towards several species, e.g. nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), a cofactor of several enzymes. In this PhD Thesis, I focused the research activities on the development of novel graphene-based electrode platforms for the detection of biomarkers of primary importance for health and fitness goals. Simultaneous detection of glucose and lactate directly in a continuous flow of a complex matrix resembling human sweat is achieved on biosensors obtained with a graphene oxide (GO) covalently linked to chitosan; the robustness and the feasibility of the obtained detection systems was tested in conditions simulating the actual application of a final device on the skin. The advantages lying in the stable anchoring of the bioreceptors were also confirmed by the realization of a new genosensor for the selective detection of viruses, developed after choosing polyethylenimine-functionalized GO to anchor a nucleic acid sequence complementary to a specific viral RNA target. Moreover, the stabilizing effects induced by the covalent bonding of the bioreceptors, achieved by the intermediation of either chitosan or polyethyleneimine, was unravelled by the quantification of the amount of anchored biorecognition elements on pristine and on modified GO. In the second part of the work, I focused the research activities on the development of novel electrode platforms constituting at the same time the transducer and the sensing element for the realization of ready-to-use devices highly feasible in on-site applications. In a first approach, bioresponsive inkjet printable inks were obtained after stably anchoring the bioreceptors on graphene foils exposing carboxylic groups; after printing these inks on commercial or home-made electrodes, the so-obtained biosensors are ready to be employed for the detection of the target analyte. As a second approach, electrode platforms on flexible plastic and textile supports were obtained employing graphene paper, a conductive paper-like GRM; thanks to specific oxygen-containing moieties on the surface, these electrodes activate electrocatalysis towards NADH oxidation without any further functionalization step, outperforming commercial devices and opening new possibilities in wearable devices.

I (bio)sensori elettrochimici sono spesso considerati una valida alternativa agli strumenti di analisi ingombranti, costosi e complessi utilizzati in laboratorio, in quanto possono fornire risultati affidabili con tempi e costi inferiori. Recentemente, i (bio)sensori indossabili hanno ricevuto un crescente interesse da parte delle comunità scientifiche e mediche, poiché sono dei dispositivi non invasivi ed economici per monitorare, anche a distanza, parametri di primaria importanza per la salute o il benessere fisico attraverso l'analisi dei fluidi umani (sudore, saliva, lacrime e liquido interstiziale). Spesso viene preferito il sudore, poiché consente il monitoraggio non invasivo e simultaneo di molti parametri, ad esempio elettroliti, glucosio, lattato ed etanolo. La selettività verso un particolare analita è data da specifici elementi di bioriconoscimento, che dovrebbero essere stabilmente ancorati sulla superficie dell'elettrodo impiegato. Il grafene e i suoi derivati (GRM) sono stati largamente impiegati per la realizzazione di dispositivi elettrochimici, poiché possiedono dimensioni nanometriche e gruppi funzionali ossidati che possono essere sfruttati per ottenere una funzionalizzazione covalente del nanomateriale con specifici (bio)recettori, oltre che per attivare effetti elettrocatalitici verso diverse specie, ad esempio la nicotinammide adenina dinucleotide (NADH), un cofattore di numerosi enzimi. In questa tesi di dottorato ho focalizzato le attività di ricerca sullo sviluppo di nuove piattaforme elettrodiche a base di grafene per la rilevazione di analiti di primaria importanza per la salute e il benessere fisico. La rilevazione simultanea di glucosio e lattato in un flusso continuo di una matrice complessa simile al sudore umano è ottenuta su biosensori costruiti con un ossido di grafene (GO) legato covalentemente al chitosano; la robustezza e l’applicabilità dei sistemi di rilevazione ottenuti sono state testate in condizioni molto vicine all’effettiva applicazione del dispositivo finale sulla pelle. I vantaggi dovuti a questo ancoraggio stabile dei biorecettori sono stati poi confermati dalla realizzazione di un nuovo genosensore per il rilevamento selettivo di virus, sviluppato dopo aver scelto il GO funzionalizzato con polietilenimmina per appaiare una sequenza di DNA complementare ad uno specifico target di RNA virale. Inoltre, gli effetti stabilizzanti indotti dal legame covalente dei biorecettori, ottenuto dall'intermediazione di chitosano o polietilenimmina, sono stati determinati quantificando gli elementi di bioriconoscimento ancorati su GO tal quale e modificato. Nella seconda parte del lavoro, ho focalizzato le attività di ricerca sullo sviluppo di nuove piattaforme elettrodiche che sono allo stesso tempo il trasduttore e l'elemento sensibile, per la realizzazione di dispositivi pronti all'uso altamente fattibili in applicazioni on-site. In un primo approccio, sono stati ottenuti degli inchiostri bioreattivi e stampabili con inkjet dopo aver ancorato stabilmente i biorecettori su fogli di grafene che espongono gruppi carbossilici; questi inchiostri sono stati stampati su elettrodi commerciali o realizzati appositamente e i biosensori così ottenuti sono subito pronti per la rilevazione dell'analita target. In un secondo approccio, invece, sono state ottenute piattaforme di elettrodi su supporti tessili e plastici flessibili utilizzando graphene paper, un GRM conduttivo simile alla carta; grazie a specifiche funzionalità contenenti ossigeno presenti sulla superficie, questi elettrodi attivano l'elettrocatalisi verso l'ossidazione del NADH senza un’ulteriore funzionalizzazione, superando i dispositivi commerciali e aprendo nuove possibilità di impiego ai dispositivi indossabili.