L’amperometria e i sensori elettrochimici: dal Clark ai biosensori

La corrente che fluisce attraverso un elettrodo a potenziale fisso è proporzionale alla concentrazione della specie elettroattiva: è questo il fondamento dell'amperometria. Semplice nel principio, potente nelle applicazioni — dal sensore di ossigeno disciolto di Clark ai glucometri usa-e-getta, fino ai rivelatori nei cromatografi. L'amperometria misura la velocità con cui la specie arriva all'elettrodo, e se questa è controllata dalla diffusione, la corrente è lineare con la concentrazione.

Vediamo come funziona la cella amperometrica, l'elettrodo di Clark per l'ossigeno, i biosensori amperometrici per il glucosio e i sensori a gas.

Principio: corrente proporzionale alla concentrazione

Se si applica all'elettrodo di lavoro un potenziale fisso abbastanza negativo (o positivo) da ridurre (o ossidare) completamente la specie di interesse non appena arriva alla superficie, la corrente diventa limitata dalla velocità di trasporto dell'analita verso l'elettrodo. In condizioni di trasporto stazionario (convezione forzata, elettrodo rotante, flusso continuo) questa corrente è proporzionale alla concentrazione dell'analita nel bulk:

i = k · c (a potenziale fisso, regime di diffusione)

Il coefficiente k dipende dall'area dell'elettrodo, dal coefficiente di diffusione e dall'efficienza del trasporto di massa (velocità di agitazione o flusso). Tenendo costanti le condizioni idrodinamiche, k è stabile e la misura è quantitativa. La corrente si misura in nanoampere o microampere, a seconda della superficie dell'elettrodo e della concentrazione.

L'elettrodo di Clark per l'ossigeno disciolto

Inventato da Leland C. Clark nel 1956, l'elettrodo di Clark è il prototipo dei sensori amperometrici. Una membrana di PTFE (politetrafluoroetilene), permeabile all'O₂ ma impermeabile agli ioni, separa il campione dalla cella interna. L'O₂ diffonde attraverso la membrana e viene ridotto al catodo di platino a un potenziale di circa –0,6 V vs Ag|AgCl:

O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O

La corrente risultante è proporzionale alla pressione parziale di O₂ (pO₂) nel campione. Il vantaggio della membrana è duplice: isola la cella interna dagli interferenti ionici del campione, e stabilizza l'ambiente della misura. La risposta è influenzata dalla temperatura (che modifica sia la solubilità dell'O₂ sia la permeabilità della membrana) e dall'agitazione (che riduce lo strato di diffusione esterna).

Biosensori amperometrici: il glucometro

I biosensori amperometrici aggiungono un elemento biologico — un enzima, un anticorpo, un batterio — che riconosce selettivamente l'analita e lo converte in una specie elettroattiva misurabile. Nel glucometro da laboratorio il meccanismo classico prevede la glucosio-ossidasi (GOx), che catalizza l'ossidazione del glucosio producendo H₂O₂:

glucosio + O₂ → gluconolattone + H₂O₂

Il perossido si ossida all'elettrodo di platino a ca. +0,6 V vs Ag|AgCl generando una corrente proporzionale alla concentrazione di glucosio nel sangue. I glucometri usa-e-getta moderni usano mediatori elettronici (ferricenio, complessi di osmio) al posto del perossido, per lavorare a potenziali più bassi e ridurre le interferenze di urico, ascorbico e altri.

Sensori amperometrici a gas

Lo stesso principio si applica ai gas: una membrana permeable al gas separa il campione gassoso da una cella elettrochimica in cui il gas si riduce o si ossida all'elettrodo di lavoro. I rilevatori di CO, NO, SO₂, H₂S in sicurezza industriale funzionano così. La corrente generata è proporzionale alla concentrazione del gas e il segnale è rilevabile nell'intervallo delle ppm — sufficiente per molti monitoraggi in ambienti di lavoro (TLV, STEL). Il vantaggio rispetto ai metodi ottici è la miniaturizzazione e il basso costo.

Limiti di rilevamento e confronto con altri metodi

L'amperometria raggiunge limiti di rilevamento nell'ordine del nanomolare per specie fortemente elettroattive, rendendola competitiva con metodi ottici come la fluorescenza. Rispetto alla potenziometria, l'amperometria dà una risposta lineare con la concentrazione (non logaritmica), il che semplifica la calibrazione; di contro, richiede un controllo preciso delle condizioni idrodinamiche e del potenziale applicato. Rispetto alla coulometria, non conta le moli ma la velocità di arrivo all'elettrodo: è quindi un metodo di flusso, adatto a misure continue e in linea, non a determinazioni assolute. I glucometri usa-e-getta sono il prodotto commerciale di maggior successo dell'amperometria: oltre un miliardo di dispositivi venduti ogni anno, ciascuno basato su una striscia monouso con un enzima immobilizzato e un elettrodo di stampa su carbonio.

Domande frequenti

Che cos'è l'amperometria?

È la tecnica elettrochimica in cui si misura la corrente a potenziale fisso: in condizioni di trasporto di massa stazionario la corrente è proporzionale alla concentrazione dell'analita elettroattivo. Non rileva la struttura chimica (come la spettroscopia), ma è molto sensibile, miniaturizzabile e adatta alla misura in linea.

Come funziona l'elettrodo di Clark?

Una membrana di PTFE permeabile all'O₂ (ma non agli ioni) separa il campione da una cella interna contenente una soluzione tampone di KCl. L'O₂ diffonde attraverso la membrana e viene ridotto al catodo di platino; la corrente catodica è proporzionale alla pO₂ nel campione. La membrana protegge l'elettrodo da interferenti e stabilizza la geometria della cella.

Che cos'è un biosensore amperometrico?

È un sensore in cui un elemento biologico (enzima, anticorpo, cellula) riconosce selettivamente l'analita e lo converte in una reazione che produce o consuma specie elettroattive misurabili amperometricamente. Il glucometro è il biosensore amperometrico più diffuso: la glucosio-ossidasi converte il glucosio in H₂O₂, che viene ossidato al platino.

Che cosa influenza la corrente amperometrica?

La corrente dipende dalla concentrazione dell'analita, dall'area dell'elettrodo, dal coefficiente di diffusione e dall'efficienza del trasporto di massa (agitazione, flusso). Tenendo costanti le condizioni idrodinamiche, k nella relazione i = k·c è stabile e la risposta è lineare. La temperatura influisce sulla viscosità e sul coefficiente di diffusione, quindi è importante termostatare o calibrare in temperatura.

In che cosa differisce l'amperometria dalla potenziometria?

In potenziometria si misura una differenza di potenziale a corrente (quasi) nulla: il segnale è logaritmico con la concentrazione (equazione di Nernst). In amperometria si misura una corrente a potenziale fisso: il segnale è lineare con la concentrazione. L'amperometria è generalmente più sensibile ai bassi valori di concentrazione; la potenziometria copre un range dinamico più ampio (molte decadi).