Biosensori – trova produttori e fornitori

I biosensori rilevano sostanze biologiche o chimiche utilizzando un elemento di riconoscimento biologico e convertono la reazione in un segnale misurabile.

Vengono utilizzati per rilevare sostanze quali glucosio, lattato, enzimi, anticorpi, microrganismi, tossine e altri analiti biologici o chimici.
Un biosensore è tipicamente costituito da un elemento di riconoscimento biologico, un trasduttore e un'elettronica di valutazione. L'elemento di riconoscimento reagisce in modo selettivo con la sostanza bersaglio. Il trasduttore converte questa reazione in un segnale elettrico, ottico, termico o meccanico.
I biosensori trovano impiego nella diagnostica medica, nella biotecnologia, nell’analisi degli alimenti, nel monitoraggio ambientale, nell’analisi industriale e nei sistemi di processo.
A seconda dell’applicazione, sono disponibili come singoli elementi sensibili, celle di misura, sonde, strisce reattive, sensori a flusso continuo o componenti di strumenti analitici completi.
Di seguito viene fornita una panoramica dei tipi tipici, delle applicazioni, dei vantaggi, dei limiti e dei criteri di selezione importanti per i biosensori.

Tipi di biosensori

Biosensori enzimatici

I biosensori enzimatici utilizzano gli enzimi come elementi di riconoscimento biologici.
L’enzima reagisce in modo selettivo con la sostanza da misurare. Ciò produce prodotti di reazione o cambiamenti misurabili che vengono rilevati dal trasduttore.
I biosensori enzimatici vengono utilizzati, ad esempio, per misurare glucosio, lattato, glutammato, glutammina, colesterolo o alcol.
La precisione della misurazione dipende, tra l’altro, dall’attività enzimatica, dalla temperatura, dal valore del pH e dalla composizione del campione.

Immunosensori

Gli immunosensori si basano sul legame specifico tra anticorpi e antigeni.
Sono in grado di rilevare proteine, agenti patogeni, allergeni, tossine e altre sostanze biologiche bersaglio.
La reazione di legame viene valutata elettrochimicamente, otticamente o tramite una variazione di massa sulla superficie del sensore.
Per ottenere risultati affidabili, è necessario ridurre al minimo, per quanto possibile, le reazioni incrociate con sostanze simili.

Biosensori a base di acidi nucleici

I biosensori a base di acidi nucleici rilevano specifiche sequenze di DNA o RNA.
A tal fine, sezioni corrispondenti di acido nucleico vengono immobilizzate sulla superficie del sensore. Quando la sequenza bersaglio si lega a questa superficie, viene generato un segnale valutabile.
Tali sensori possono essere utilizzati per rilevare caratteristiche genetiche, contaminazioni biologiche o determinati microrganismi.

Biosensori a base cellulare

I biosensori a base cellulare utilizzano cellule vive o componenti cellulari come elementi di riconoscimento.
Le cellule reagiscono a sostanze specifiche, condizioni ambientali o fattori tossici. Vengono quindi misurate le variazioni nel metabolismo, nella crescita o in altre funzioni cellulari.
I sistemi a base cellulare trovano impiego nei test farmaceutici, nella tossicologia e nelle analisi ambientali.

Biosensori elettrochimici

I biosensori elettrochimici convertono una reazione biologica o chimica in un segnale elettrico.
A seconda del modello, si misurano correnti elettriche, tensioni, resistenze o impedenze.
I biosensori elettrochimici possono essere progettati in formati compatti e sono spesso adatti a piccoli volumi di campione, nonché a sistemi di misurazione mobili o automatizzati.
Tuttavia, la superficie dell’elettrodo può essere compromessa da depositi, contaminazioni o componenti del campione.

Biosensori ottici

I biosensori ottici rilevano le variazioni dei segnali luminosi.
I parametri misurati includono l'assorbimento, la fluorescenza, la luminescenza, la riflessione e le variazioni dell'indice di rifrazione.
I biosensori ottici possono raggiungere un'elevata sensibilità e, a seconda del modello, possono rilevare diverse sostanze contemporaneamente.
I campioni torbidi, colorati o che diffondono fortemente la luce possono compromettere la misurazione.

Biosensori piezoelettrici

I biosensori piezoelettrici rilevano variazioni di massa su una superficie sensibile oscillante.
Quando la sostanza bersaglio si lega alla superficie rivestita, la frequenza di risonanza dell’elemento sensibile cambia.
Tali sistemi sono adatti allo studio dei processi di legame. La temperatura, la viscosità e i depositi non specifici possono influenzare il risultato della misurazione.

Applicazioni dei biosensori

Diagnostica medica

Nella diagnostica medica, i biosensori vengono utilizzati per determinare valori metabolici, biomarcatori, agenti patogeni e altri parametri rilevanti dal punto di vista medico.
Tra le applicazioni più note figurano la misurazione del glucosio e del lattato.
A seconda del design, i biosensori possono far parte di strumenti da laboratorio, dispositivi di misurazione portatili, strisce reattive o sistemi di misurazione a funzionamento continuo.

Biotecnologia e fermentazione

Nei processi biotecnologici, i biosensori monitorano nutrienti, prodotti metabolici e condizioni di processo.
I valori misurati, quali glucosio, lattato, glutammato, glutammina o ossigeno, forniscono informazioni sull’andamento dei processi di fermentazione e delle colture cellulari.
Il rilevamento rapido consente di identificare le anomalie in una fase precoce e di adeguare le condizioni di processo.

Ricerca farmaceutica

Nella ricerca farmaceutica, i biosensori vengono utilizzati per studiare principi attivi, proteine, reazioni di legame e risposte cellulari.
Sono in grado di automatizzare serie di misurazioni e rilevare in breve tempo le variazioni nei processi biologici.
Per ottenere risultati comparabili sono necessarie condizioni di campionamento riproducibili, una calibrazione adeguata e una superficie del sensore controllata.

Settore alimentare e delle bevande

I biosensori sono in grado di rilevare ingredienti, allergeni, microrganismi, tossine e residui in alimenti e bevande.
Vengono utilizzati per ispezionare materie prime, processi di produzione e prodotti finiti.
Grassi, proteine, coloranti, particelle e altri componenti del campione possono influenzare il risultato della misurazione. Il sensore deve quindi essere adatto alla rispettiva matrice alimentare.

Analisi ambientale

Nell’analisi ambientale, i biosensori vengono utilizzati per rilevare sostanze inquinanti, microrganismi, pesticidi e contaminanti organici.
È possibile analizzare acqua, acque reflue, estratti di terreno e altri campioni ambientali.
Alloggiamenti robusti dei sensori, funzionamento semplice e bassa sensibilità alle fluttuazioni di temperatura rappresentano vantaggi per le applicazioni mobili.

Monitoraggio dei processi industriali

I biosensori possono essere integrati nei sistemi di analisi e di processo industriali.
Essi monitorano i parametri biologici o chimici in reattori, condotte, celle di misura e sistemi di campionamento automatizzati.
La resistenza ai fluidi di processo, una durata adeguata e la possibilità di pulire o sostituire l’elemento sensibile sono fattori importanti per il funzionamento continuo.

Vantaggi dei biosensori

• Rilevamento selettivo di specifiche sostanze biologiche o chimiche
• Tempi di misurazione ridotti
• Requisiti minimi di campionamento
• Design compatto
• Integrazione in sistemi di misurazione mobili e automatizzati
• Possibilità di effettuare misurazioni continue o ripetute
• Disponibilità di diversi elementi di riconoscimento biologico
• Segnali di uscita elettrici e ottici di vario tipo
• Utilizzo in laboratori, ambienti di produzione e analisi mobili
• Possibilità di monitoraggio diretto del processo

Limiti dei biosensori

• Gli elementi di riconoscimento biologico possono essere sensibili alla temperatura, all’umidità, al valore del pH e alle sostanze chimiche.
• Enzimi, anticorpi, cellule e altri componenti biologici hanno spesso una durata di conservazione e di funzionamento limitata.
• I componenti del campione possono accumularsi sulla superficie del sensore e alterare il risultato della misurazione.
• A seconda dell’elemento di riconoscimento, sostanze simili possono causare reazioni incrociate.
• La calibrazione può variare durante il funzionamento e deve essere verificata regolarmente.
• Alcuni biosensori sono progettati esclusivamente per uso monouso.
• La pulizia e la rigenerazione dei sensori riutilizzabili possono richiedere molto tempo.
• I risultati di laboratorio non possono sempre essere trasferiti direttamente ai campioni reali o ai processi industriali.
• Le prestazioni di un biosensore dipendono spesso in modo determinante dalla composizione del campione.
• Non sono disponibili per ogni applicazione valori di confronto standardizzati provenienti da diversi produttori.

Criteri di selezione importanti per i biosensori

Sostanza bersaglio

Il primo passo consiste nel definire quale sostanza o gruppo di sostanze debba essere rilevato.
Il biosensore deve contenere un elemento di riconoscimento biologico adatto al rispettivo analita.
Occorre inoltre tenere conto di eventuali sostanze di accompagnamento e composti chimicamente simili, poiché possono influenzare il risultato della misurazione.

Intervallo di misura e limite di rilevabilità

L'intervallo di misura deve coprire completamente le concentrazioni previste.
Per concentrazioni molto basse è necessario un limite di rilevabilità sufficientemente basso.
Tuttavia, un sensore particolarmente sensibile non è automaticamente migliore se l’intervallo di concentrazione rilevante è significativamente più alto.

Selettività

La selettività descrive la specificità con cui il biosensore risponde alla sostanza bersaglio.
In campioni complessi, molecole simili o altri componenti possono generare segnali indesiderati.
Il produttore dovrebbe quindi specificare le sensibilità incrociate note e i tipi di campione per i quali il sensore è stato testato.

Tempo di risposta

Il tempo di risposta richiesto dipende dall’applicazione.
Per il monitoraggio continuo dei processi o per misurazioni soggette a rapidi cambiamenti, il sensore deve rilevare le variazioni in un breve lasso di tempo.
Per le singole analisi di laboratorio, un tempo di misurazione più lungo può essere accettabile se migliora la sensibilità o la precisione.

Tipo di campione e preparazione del campione

Sangue, terreni di coltura cellulare, alimenti, acque reflue e liquidi di processo industriali pongono esigenze diverse a un biosensore.
Viscosità, contenuto di particelle, colore, temperatura e composizione chimica possono influenzare la misurazione.
È necessario stabilire se il campione debba essere diluito, filtrato, preparato o sottoposto a controllo della temperatura.

Durata di vita e stabilità di conservazione

Gli elementi di riconoscimento biologico possono perdere attività durante la conservazione e il funzionamento.
È necessario considerare la durata di conservazione, la temperatura di stoccaggio consentita, l’imballaggio, la protezione dall’umidità ed eventuali requisiti di refrigerazione.
Per i sensori riutilizzabili, è rilevante anche il numero di possibili cicli di misurazione o rigenerazione.

Sensore monouso o riutilizzabile

I sensori monouso riducono le esigenze di pulizia e il rischio di contaminazione incrociata tra i campioni.
I sensori riutilizzabili possono risultare più economici in caso di misurazioni frequenti, ma richiedono procedure adeguate di pulizia, calibrazione e rigenerazione.
La scelta dipende dalla frequenza di misurazione, dai requisiti igienici e dal costo per misurazione.

Segnale di uscita e interfacce

Il segnale di uscita deve essere compatibile con il sistema di misurazione o di controllo esistente.
A seconda del biosensore, vengono forniti segnali di corrente, tensione, frequenza, digitali o ottici.
Interfacce adeguate, una trasmissione dati stabile e l’integrazione nel software di valutazione sono elementi importanti per le applicazioni automatizzate.

Calibrazione

I biosensori richiedono una calibrazione adeguata al campo di misura previsto e al tipo di campione.
È necessario tenere conto degli intervalli di calibrazione, delle soluzioni di riferimento, della compensazione della temperatura e dell’eventuale deriva.
La calibrazione deve essere documentata e tracciabile per garantire risultati comparabili.

Condizioni ambientali e di processo

Temperatura, pressione, umidità, vibrazioni, interferenze elettromagnetiche e fluidi aggressivi possono influenzare il funzionamento.
Per le applicazioni industriali, gli alloggiamenti, le guarnizioni, le superfici dei sensori e i collegamenti elettrici devono essere progettati per le rispettive condizioni.

Pulizia e sostituzione

Per i biosensori riutilizzabili, è necessario stabilire in che modo la superficie del sensore possa essere pulita o rigenerata.
I detergenti e le procedure di disinfezione non devono danneggiare l’elemento di riconoscimento biologico.
Un elemento sensibile sostituibile può semplificare la manutenzione e l’assistenza.

Riepilogo

I biosensori combinano elementi di riconoscimento biologico con trasduttori elettrici, ottici, termici o meccanici.
A seconda dell’applicazione, si utilizzano biosensori enzimatici, immunologici, basati su acidi nucleici, cellulari, elettrochimici, ottici o piezoelettrici.
Tra le applicazioni tipiche figurano la diagnostica medica, la biotecnologia, la ricerca farmaceutica, l’analisi degli alimenti, il monitoraggio ambientale e il controllo dei processi industriali.
I principali criteri di selezione includono la sostanza bersaglio, il campo di misura, la selettività, il limite di rilevamento, il tempo di risposta, il tipo di campione, la durata di vita e l’interfaccia.
Poiché gli elementi di riconoscimento biologici possono essere sensibili alle condizioni ambientali e all’invecchiamento, al momento dell’acquisto è necessario considerare gli aspetti relativi a conservazione, calibrazione, pulizia e sostituzione.

I biosensori sono disponibili presso vari produttori e fornitori. Su Exportpages è possibile trovare informazioni complete sui produttori e fornitori di biosensori di tutto il mondo.