Biosensoristica applicata al rilevamento di idrogeno: sfide e frontiere della ricerca

Hydrogen biosensors are detecting devices that could reveal its presence, even at very low concentrations. Hydrogen physical properties, including its flammability limit at 4 vol % concentration in air, make it a highly dangerous gas, yet, at the same time, it’s an ideal fuel and energy carrier. For this reason, sensors that can detect hydrogen leaks or issues during its production and use are of fundamental importance, especially because by 2050, there is a global effort to reduce CO2 emissions, mostly caused by the energy sector, by implementing clean energy use and more efficient and sustainable energy production technologies. In this study biosensors used in this field are analyzed. Usually they feature a catalyst, typically a hydrogenase, which is in contact with an electrode that can detect the interaction signal generated by the catalyst-analyte interaction. The main drawback of hydrogenases utilization lies on their high oxygen sensitivity, which can easily deactivate them. As a result, various oxygen protection strategies have been studied: genetic modifications, encapsulation, and protection using redox-active polymers. To date, there are few commercially and industrially available biosensors for hydrogen detection. However, due to their potential future large-scale use, research in this field is very active.

I biosensori per l’idrogeno sono dispositivi in grado di rilevare la presenza di questo gas, anche in concentrazioni molto basse. A causa delle sue caratteristiche fisiche, tra cui il limite di infiammabilità già a concentrazioni di 4 vol % in aria, l’idrogeno è potenzialmente molto pericoloso ma, allo stesso tempo, è un combustibile e un vettore di energia ideale. Per questo motivo l’utilizzo di sensori in grado di rilevare eventuali perdite o problematiche durante la produzione e l’utilizzo di questo gas sono di fondamentale importanza, anche per il raggiungimento dell’obiettivo che prevede, entro il 2050, la sensibile riduzione delle emissioni di CO2 globale, causate in gran parte dal settore energetico, attraverso l’implementazione dell’utilizzo di energia pulita e di tecnologie di produzione energetica più efficienti e sostenibili. In questo lavoro sono analizzati i biosensori utilizzati in questo campo, per la maggior parte caratterizzati dalla presenza di un catalizzatore, in particolare un’idrogenasi, che viene messo in stretto contatto con un elettrodo in grado di misurare il segnale generato dall’interazione tra il catalizzatore e l’analita. La maggiore controindicazione nell’utilizzo delle idrogenasi sta nella loro elevata sensibilità nei confronti dell’ossigeno che le disattiva molto facilmente. Per questo motivo sono state studiate diverse strategie di protezione dall’ossigeno, in particolare: le modifiche genetiche, l’incapsulamento e la protezione tramite l’utilizzo di polimeri redox attivi. Ad oggi sono pochi i biosensori per la rilevazione dell’idrogeno presenti su scala commerciale e industriale, ma, in vista del loro potenziale utilizzo futuro su larga scala, la ricerca in questo campo è molto attiva e in continua crescita.