Le attuali attività di ricerca sono prevalentemente rivolte allo
sviluppo e alla caratterizzazione di elettrodi modificati con
materiali inorganici innovativi (idrotalciti sintetiche,
esacianoferrati misti) e con polimeri conduttori e alla loro
applicazione come sensori elettrochimici. La caratterizzazione
elettrochimica viene condotta mediante tecniche elettrochimiche
convenzionali ed innovative, come ad esempio il microscopio
elettrochimica a scansione che consente anche la caratterizzazione
morfologica e la valutazione della reattività superficiale.
Altre importanti linee di ricerca riguardano, lo sviluppo di
biosensori amperometrici per la determinazione del glucosio in
matrici biologiche ed alimentari studiando nuove tecniche di
immobilizzazione di enzimi sulla superficie elettrodica, la sintesi
ed applicazione di nanoparticelle metalliche e lo sviluppo di
transistor ad effetto di campo. Gli interessi di ricerca
comprendono infine lo sviluppo, mediante elettrodeposizione, di
catalizzatori attivi nella reazione di produzione di idrogeno
tramite reazione di ‘Steam Reforming'.
1. Elettrodi Modificati con Composti di ‘tipo idrotalcite'
(HT)
I ‘Composti di tipo
idrotalcite' (HT) hanno formula generale
[M(II)1-xM(III)x(OH)2]x+(A
n-x/n)
´
mH2O
(schematizzata con M(II)/M(III)-A) e la loro struttura consiste di
strati idrossidici contenenti i metalli bi- e trivalente, carichi
positivamente, con anioni negli interstrati. Una delle proprietà
più interessanti di questa classe di composti è la capacità di
scambiare l'anione intercalato; tale proprietà è alla base
dell'utilizzo delle
HT come “ionofori” per la messa a punto di sensori potenziometrici
selettivi per l'anione intercalato.
1.1 Sviluppo di sensori potenziometrici
Sono stati condotti studi nei quali si impiegano elettrodi basati
su HT con anioni intercalati monocarichi (in particolare, le HT
studiate erano Mg/Al-Cl e Mg/Al-NO3) e si è verificato
che essi mostrano una risposta quasi-Nernstiana nei confronti
dell'anione intercalato, senza significativo “effetto memoria”, ma
una selettività molto scarsa. La selettività dell'elettrodo iono
selettivo è invece molto buona quando si utilizzano HT con anioni
intercalati bivalenti: è stato presentato uno studio concernente lo
sviluppo di un sensore potentiometrico per lo ione solfato, che è
stato applicato con successo per valutare la
concentrazione di tale ione in campioni di acque
minerali.
1.2 Sviluppo di sensori amperometrici
Parallelamente è stata presa in esame la possibilità di sfruttare
le HT come materiale per la modifica di superfici elettrodiche
anche nel campo dei sensori amperometrici. La presenza di un
metallo di transizione nella struttura idrotalcitica, come ad
esempio nickel o cobalto ne aumenta infatti la conducibilità in
ambiente fortemente alcalino e li rende quindi idonei alla
costruzione di sensori amperometrici.
Elettrodi modificati con l'HT Ni/Al-Cl sono stati
utilizzati come sensori amperometrici per alcoli e composti
poli-ossidrilati; i sensori, basati su un meccanismo
elettrocatalitico che coinvolge la coppia redox Ni(II)/Ni(III),
sono risultati sufficientemente stabili da poter essere utilizzati
in analisi su sistemi reali.
Al fine di un utilizzo di questi materiali per lo sviluppo di
sensori è inoltre fondamentale conoscerne con esattezza la formula
molecolare: a tale scopo è stato sviluppato un efficace metodo
spettrofotometrico per la determinazione del nickel dell'alluminio
in idrotalciti sintetiche
Parte della ricerca ha riguardato la caratterizzazione del
meccanismo di conduzione delle HT contenenti Ni, attraverso le più
comuni tecniche elettrochimiche e la spettroscopia di impedenza che
costituisce un mezzo molto potente nell'analisi dei sistemi
elettrochimici e delle diverse interfacce presenti in elettrodi
modificati. E' stato studiato il comportamento dell'elettrodo
modificato con l'HT Ni/Al-Cl sulla base di un circuito equivalente
simile a quello proposto dalla letteratura per elettrodi ad
intercalazione. I risultati ottenuti hanno dimostrato
che la conduzione in questa HT avviene con un meccanismo misto di
tipo ionico ed elettronico (electron hopping). Sulla base delle
energie di attivazione calcolate per tali processi è stato
possibile stabilire che l'electron hopping costituisce lo step
limitante del processo di conduzione.
Sono state prese in esame anche le proprietà elettrochimiche ed
elettrocatalitiche di HT contenenti Co, per verificare se la
sostituzione del Co con il Ni modifica il meccanismo di conduzione
del materiale e se la presenza del Co aumenta la selettività della
risposta amperometrica nei confronti dei substrati ossidabili. In
particolare, è stato verificato che l'HT a base di Co risponde
selettivamente agli zuccheri e non mostra invece alcuna risposta
nei confronti degli alcoli. Questa proprietà è stata sfruttata
sviluppando un sensore amperometrico basato su HT contenenti Ni e
Co che si è rivelato efficace per la determinazione selettiva
dell'etanolo in campioni commerciali di birra.
L'utilizzo dell'EIS ha permesso di studiare il comportamento
dell'elettrodo modificato con l'HT Co/Al-Cl e confrontarlo con
quello dell'HT a base di nickel, dimostrando che il meccanismo
responsabile della conduzione dei due materiali è analogo e che
l'HT ha una conducibilità maggiore quando il metallo bivalente è
nickel.
1.3 Sintesi delle HT tramite elettrodeposizione
Il metodo più diffusamente utilizzato per la modifica di superfici
elettrodiche con HT consiste nella deposizione di un piccolo volume
di una soluzione colloidale dell'HT desiderata, preparata tramite i
metodi classici di coprecipitazione. Tale metodo presenta alcuni
svantaggi, come il tempo piuttosto lungo necessario alla
preparazione dell'elettrodo modificato e la scarsa aderenza del
film al supporto elettrodico.
Per ovviare a tali problematiche è stata studiata dettagliatamente
la possibilità di un
approccio sintetico alternativo che consiste
nell'elettrodeposizione dell'HT Ni/Al-NO3 allo scopo di
ottenere, in un solo stadio, un film sottile di materiale ben
aderente all'elettrodo di spessore variabile in funzione del tempo
di elettrolisi.
Il principio del metodo consiste nel fatto che l'applicazione
di una corrente
catodica, a un elettrodo lavorante, immerso in una soluzione
acquosa contenente il metallo di un nitrato
M(NO3)n, conduce a numerose reazioni
quali: l'elettrolisi dell'acqua, consumo di ioni H+ e
riduzione dello ione nitrato, le quali concorrono a fare aumentare il pH locale
della soluzione elettrolitica all'interfaccia elettrodo
lavorante/soluzione: in prossimità della superficie elettrodica, si
ha la formazione dell'idrossido del metallo secondo la
reazione:
Mn+ + n OH-
"
M(OH)n
¯
Al catodo, quindi, si deposita lo ione metallico come idrossido. Se
la soluzione acquosa contiene i nitrati di due cationi metallici
aventi raggio ionico opportuno, è possibile sintetizzare composti
aventi struttura tipo idrotalcite.
Sono state studiate in dettaglio ed ottimizzate le condizioni
sperimentali necessarie alla deposizione di film sottili di
idrotalciti pure a base di nickel e cobalto, prendendo in esame
diversi supporti elettrodici; i film sottili ottenuti sono stati
caratterizzati con tecniche di quali SEM/EDS, AFM, XRD idonee alla
caratterizzazione della morfologia, struttura e composizione dei
materiali depositati. Il comportamento elettrochimico degli
elettrodi modificati è stato inoltre studiato in maniera
approfondita.
Gli elettrodi messi a
punto con questo metodo risultano essere particolarmente
stabili e adatti ad
applicazione come sensori amperometrici in matrici reali; la
caratteristica di aderenza dei film alla superficie elettrodica
rende gli elettrodi idonei all'applicabilità in flusso. Di recente
è stata intrapresa una collaborazione con il ‘Laboratoire des Matériaux Inorganiques,
Université Blaise Pascal, Clermont Ferrand' (nell'ambito di un
progetto Galileo finanziato per l'anno 2007-2008 dal titolo ‘'Sviluppo di sensori
elettrochimici per l'individuazione di
diserbanti-Applicazioni degli idrossidi doppi a strato‘')
per valutare la possibilità di utilizzare elettrodi modificati
tramite l'HT Ni/Al-NO3 elettrosintetizzata per l'analisi
di diserbanti quali il glifosato e il
glufosinato.
1.4 Sviluppo di catalizzatori basati su HT
La sintesi delle HT tramite elettrodeposizione permette la
deposizione di film di idrotalcite su qualsiasi supporto
conduttore.
Questo ha interessanti ricadute applicative perché ha permesso la
preparazione di catalizzatori attivi nella reazione di produzione
di idrogeno tramite ‘Steam Reforming'. I catalizzatori sono stati
ottenuti mediante l'elettro deposizione dell'HT
Ni/Al-NO
3
su ‘schiume' metalliche conduttrici FeCrYAl e successiva
calcinazione dei film con decomposizione dell'HT e segregazione
delle fasi NiO and NiAl
2
O
4
, attive nella reazione catalitica; i catalizzatori ottenuti
sono risultati particolarmente attivi con prestazioni, in termini
di conversione, selettività e resa superiori a quelli
commerciali.
A causa della geometria
complessa delle schiume metalliche e del ridotto
spessore del film di HT supportata, la caratterizzazione
morfologica e strutturale dei catalizzatori risulta particolarmente
difficoltosa e le tecniche normalmente utilizzate si rivelano
inappropriate.
Un progetto di ricerca
intrapreso molto recentemente è volto alla caratterizzazione dei
catalizzatori preparati tramite tomografia a raggi X mediante luce
di sincrotrone, in collaborazione con il gruppo del
Prof K. Janssens (
Department of Chemistry, University of Antwerp, Belgium).
A questo scopo sono in fase di elaborazione misure condotte presso
l'ESRF di Grenoble nell'ambito del progetto '
XRF/XRD microtomography and XRF nanotomography of Ni-containing
hydrotalcite layers on FeCrAlY-alloy foams'
allo scopo di
ricostruire l'immagine tridimensionale della schiuma metallica e
del film di HT depositato e visualizzare la distribuzione spaziale
delle diverse fasi
.
2. Sviluppo di Biosensori Amperometrici per l'analisi del
glucosio
A causa
dell'importanza del glucosio nel metabolismo umano la ricerca di metodi
analitici per la determinazione selettiva, rapida ed economica del
glucosio è un tema di grande attualità. Le analisi di routine del
glucosio nei liquidi biologici sono una delle applicazioni più
diffuse nei laboratori di analisi. I biosensori amperometrici
enzimatici, ovvero elettrodi modificati contenenti l'enzima
glucosio ossidasi, sono ampiamente diffusi. Lo stadio cruciale
nella progettazione di un biosensore è l'immobilizzazione
dell'enzima sulla superficie elettrodica, che deve essere tale
da consentire
all'enzima di mantenere la sua attività e da non permettere il
rilascio della biomolecola in soluzione. In campo analitico
esistono tre tipi diversi di biosensori: di prima, seconda e terza
generazione.
Nei
biosensori di prima generazione, l'enzima ossida il substrato in
presenza di ossigeno e il perossido di idrogeno, prodotto dalla
reazione enzimatica, viene direttamente rivelato all'elettrodo. I
biosensori di questo tipo presentano gravi problemi in termini di
selettività, poiché qualsiasi sostanza facilmente ossidabile, come
ad esempio acido ascorbico o acetaminofene, può interferire nella
misura, scaricandosi all'elettrodo e agendo quindi da
interferente.
I biosensori di seconda generazione prevedono la presenza di un
mediatore redox direttamente a contatto con l'elettrodo, in grado
di rigenerare il sito attivo dell'enzima, fornendo una risposta
direttamente proporzionale alla concentrazione del substrato che si
vuole determinare.
I biosensori di terza generazione vedono, invece, l'ossidazione o
la riduzione diretta del sito attivo dell'enzima ad opera
dell'elettrodo, secondo quanto viene definito schema a spira
molecolare.
2.1
Biosensori che sfruttano l'HT come matrice per l'immobilizzazione
dell'enzima
L'attività
di ricerca, in questo ambito, ha riguardato lo sviluppo di un
biosensore preparato tramite immobilizzazione dell'enzima glucosio
ossidasi su elettrodi di Pt mediante adsorbimento della biomolecola
sull'HT Ni/Al-NO3 durante la fase di elettrodeposizione
dell'HT e successivo stadio di cross-linking con glutaraldeide e
albumina di siero bovino. Le HT, infatti, sono ottime matrici per
l'immobilizzazione di enzimi, a causa dell'elevato contenuto
d'acqua che fornisce all'enzima un ambiente biocompatibile e
dell'elevata mobilità permessa all'analita e ai prodotti di
reazione. Per ottimizzare la procedura di preparazione del
bioelettrodo è stata utilizzato un disegno sperimentale a 2 fattori
(concentrazione di enzima in fase di deposizione, rapporto Ni/Al
nell'HT) e 3 livelli
(studio degli effetti di ciascun fattore in termini lineari e
quadratici e della loro interazione) che ha permesso di determinare
ed ottimizzare i parametri che influenzano la risposta. Il
biosensore sviluppato è di prima generazione, quindi il perossido
di idrogeno prodotto nel corso della reazione enziamatica viene
ossidato all'elettrodo di Pt. Le prestazioni (sensibilità,
linearità della risposta) dell'elettrodo ottenuto con questa
procedura innovativa, risultano superiori a quelle di sistemi
simili descritti in letteratura; inoltre il metodo messo a punto
risultato rapido e economico, perché prevede il consumo di una
bassa quantità di enzima.
La scarsa
selettività, come accennato, è uno dei maggiori problemi che si
riscontra nei biosensori di prima generazione; è stato condotto uno
studio rivolto alla possibilità di introdurre membrane protettive
sulla superficie del biosensore per valutare la possibile riduzione
delle interferenze; sono state prese in esame alcune delle membrane
più studiate in letteratura come ad esempio il Nafion, la
glutaraldeide, e idrogel di nuova generazione, come
l'esacianoferrato di palladio o il TiO2 idrogel
verificando l'applicabilità dei diversi bioelettrodi alla
determinazione del glucosio in matrici reali, quali succhi di
frutta o campioni biologici. A fronte di questo studio è stata
presa in esame la possibilità di sfruttare l'HT stessa come
membrana anti-interferente, tramite ossidazione dei centri di
nickel. E' stato dimostrato che quando l'HT a base di nickel viene
ossidata acquisisce una carica totale negativa, a causa
dell'adsorbimento e dell'intercalazione di anioni dalla soluzione;
il film, carico negativamente diventa quindi capace di respingere
molecole anioniche, come ad esempio l'acido ascorbico, che
rappresenta una delle molecole maggiormente
interferenti.
2.2
Sviluppo di biosensori di seconda e terza
generazione
Parallelamente alla ricerca condotta sui biosensori di prima
generazione è stata esaminata la possibilità di sviluppare
biosensori per il glucosio contenenti mediatori redox (2
generazione) o basati su nanotubi di carbonio (CNT) per tentare di
sviluppare una connessione diretta tra la superficie elettrodica e
il sito attivo dell'enzima.
Per quanto riguarda i biosensori di seconda generazione sono stati
ottenuti ottimi risultati costruendo bioelettrodi di tipo sono-gel
contenenti un mediatore redox innovativo, l' 1,2-diferroceniletano;
l'utilizzo di questo mediatore, contenente 2 centri redox identici
ma non interagenti tra loro, ha permesso di realizzare un
biosensore avente sensibilità molto elevata e ottima stabilità
meccanica, impartita dalla matrice sono-gel.
Buoni risultati sono stati ottenuti anche intercalando mediatori
redox anionici a base di ferrocene nell' HT Mg/Al; sono stati presi
in esame ferrocene carbossilato e ferrocene solfonato studiando le
prestazioni dei biosensori e l'influenza del mediatore sulla
sensibilità e selettività della risposta.
Per quanto riguarda i biosensori di terza generazione la ricerca si
è rivolta con successo, all'utilizzo dei nanotubi di carbonio,
co-immobilizzati insieme all'enzima glucosio ossidasi, su una
superficie elettrodica di Glassy Carbon (GC), al fine di realizzare
una connessione diretta tra il sito attivi dell'enzima e la
superficie conduttrice.
3. Sintesi e applicazioni di nanoparticelle
metalliche
Le nanoparticelle metalliche caratterizzate da un elevata area
superficiale e da un elevato rapporto superficie-volume hanno
caratteristiche chimico-fisiche uniche. A causa delle loro
dimensioni trovano applicazioni in diverse aree quali catalisi,
elettronica, biosensoristica e dispositivi ottici.
La ricerca è stata indirizzata alla deposizione di nanoparticelle
metalliche di Pt per via elettrochimica su supporti elettrodici
differenti quali grafite e GC. La deposizione è stata condotta per
riduzione catodica di K2
PtCl6
a vari potenziali, in
assenza ed in presenza di un additivo (KI) per studiare la
morfologia, le dimensioni e le caratteristiche delle nanoparticelle
ottenute nelle diverse condizioni.
Le nanoparticelle ottenute nelle migliori condizioni sono state
utilizzate come supporto per l'elettrodeposizione di HT a base di
nickel, con lo scopo di aumentare l' area-superficiale del
materiale elettroattivo e quindi di ottenere un sensore
amperometrico caratterizzato da un efficienza elettrocatalitica
elevata.
Parallelamente alla sintesi per via elettrochimica è stata presa in
esame la preparazione di nanoparticelle d'oro per via chimica,
ovvero per riduzione di HAuCl4 tramite
citrato. Le nanoparticelle ottenute, di diametro
14 ± 4 nm, sono state ancorate sulla superficie di
elettrodi di vetro drogati con ossido di indio (ITO), tramite 2
diversi agenti ‘cross linker' il 3-(mercaptopropil)-trimetossi
silano (MPTMS) e il 3-(amminopropil)-trietossisilano (APTES); per
ognuno dei due sistemi è stata studiata dettagliatamente
l'influenza del tipo di organosilano utilizzato sulla struttura,
morfologia e proprietà elettrochimiche degli elettrodi di ITO
modificati. La ricerca ha permesso di verificare che, nel caso
venga utilizzato l'APTES le nanoparticelle si depositano
sull'elettrodo sotto forma di aggregati, mentre nel caso venga
utilizzato il MPTMS la loro dispersione risulta maggiore. Sono
infine state studiate in dettaglio le prestazioni
elettrocatalitiche degli elettrodi modificati esaminando
l'efficienza elettrocatalitica della reazione di ossidazione del
metanolo in ambiente alcalino
