DOTTORATO DI RICERCA IN SCIENZE CHIMICHE XXVII CICLO
Progetto di tesi
Sviluppo di sistemi integrati lab on chip a base di copolimeri a blocchi
per sensori avanzati
Studentessa
Anna Malafronte
Tutori
Prof. Claudio De Rosa
Prof.ssa Finizia Auriemma
Negli ultimi decenni l’attività di ricerca nel campo della sensoristica e biosensoristica ha
subito una crescita esponenziale, a causa della necessità di rivelare un numero sempre crescente di
analiti in svariati campi come monitoraggio ambientale, salute, controllo alimentare, sicurezza [13]. Un sensore chimico è un dispositivo che trasforma un’informazione chimica, derivante dalla
concentrazione di uno specifico componente nel campione analizzato, in un segnale utile
analiticamente [4]. Esso è formato da due parti integrate: un elemento recettore, che riconosce e
lega selettivamente il composto da rilevare, ed un trasduttore, che converte l’informazione chimica
in un segnale fisico misurabile. Nei biosensori, l’elemento recettore è un elemento biologico
immobilizzato (enzima, anticorpo, acido nucleico, recettore) [5, 6].
L’incorporazione della nanotecnologia e di nanomateriali nella costruzione di sensori
sembra essere l’area di ricerca destinata ad avere una notevole influenza sullo sviluppo di nuove
strategie sensoristiche nel prossimo futuro [7-10]. L’uso di nanomateriali, ad esempio
nanoparticelle [9] o nanotubi di carbonio [10], come elementi recettori, infatti, aumenta la
sensibilità grazie all’alto rapporto superficie/volume, fornisce nuovi fenomeni fisici che possono
essere sfruttati per la rivelazione ed offre la possibilità di amplificare la risposta fino al potenziale
raggiungimento della “single molecule sensitivity”.
I copolimeri a blocchi (BCP) rappresentano di certo una classe di materiali dotati di elevata
versatilità per la creazione di materiali nanostrutturati. I BCP sono formati da due o più
omopolimeri di differente natura chimica, o blocchi, legati covalentemente. Se i blocchi sono
immiscibili, l’incompatibilità chimica induce separazione di fase con formazione di nanostrutture
periodiche costituite da domini chimicamente distinti (sfere, cilindri o lamelle) la cui grandezza e
periodicità dipende dalla lunghezza relative dei blocchi [11, 12].
Lo scopo del presente progetto è lo studio di nuovi nanomateriali, basati su BCP, capaci di
riconoscere selettivamente specie chimiche (biomolecole, inquinanti, droghe o esplosivi), con lo
scopo di progettare, caratterizzare e fabbricare nanostrutture funzionali da usare come elementi
attivi in sensori e/o biosensori altamente sensibili e selettivi.
La ricerca sarà focalizzata sulla creazione di due classi di materiali basati su BCP: materiali
nanocompositi [13], che mostrano vantaggiose proprietà elettriche, ottiche, magnetiche e
meccaniche utili per la rivelazione avanzata, e materiali nanoporosi [14-16] aventi nanocanali
funzionalizzati capaci di immobilizzare biomolecole, ad esempio enzimi. In particolare nel primo
caso i BCP saranno usati come “hosts” per la costruzione di nanocompositi ibridi nanostrutturati,
mediante inclusione selettiva di nanoparticelle inorganiche in specifici nanodomini ordinati su larga
scala; ciò offre il vantaggio di poter sfruttare sia le proprietà fisiche della matrica polimerica, sia
quelle dei componenti sequestrati. Nel secondo caso, invece, scaffolds nanoporosi saranno creati
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sfruttando la formazione spontanea di ben definite nanostrutture da parte di BCP (lamelle, cilindri,
sfere, fasi bi-continue) e successiva rimozione selettiva di un blocco polimerico [15, 16].
L’adeguata scelta dei BCP permetterà di ottenere nanocanali con pareti funzionalizzate che
rappresentano supporti ideali per l’immobilizzazione di specifici enzimi.
La caratterizzazione dei materiali verrà condotta mediante microscopia ottica (OM),
microscopia a forza atomica (AFM), microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia
elettronica a trasmissione (TEM). I BCP usati verranno studiati mediante diffrazione dei raggi X
(WAXS e SAXS) e analisi calorimetrica (DSC). Al fine di ottenere materiali per specifiche
applicazioni, per esempio nanocanali paralleli estesi su aree macroscopiche per la costruzione di
biosensori, è necessario avere ordine unidirezionale a lungo raggio; per questo motivo tecniche di
solidificazione direzionale e cristallizzazione epitassiale [17] verranno impiegate per indurre
l’allineamento e la perfetta orientazione dei domini nanometrici.
I materiali sviluppati saranno accoppiati con elementi trasduttori come microbilance a
cristalli di quarzo (QCM), transistor a effetto di campo (FET) [18] e/o microcantilevers [19], con lo
scopo finale di realizzare Micro Total Analytical Systems (μTAS), o Lab-on-Chip (LOC), che
presentano il vantaggio addizionale della miniaturizzazione [20, 21]. Per il raggiungimento di tale
scopo, saranno essenzialmente studiati film sottili dei materiali sviluppati e, per alcune applicazioni,
saranno anche realizzati substrati di BCP ordinati in tre dimensioni.
Riferimenti bibliografici
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