Influenza della distanza tra gli elettrodi sulla risposta elettrochimica dei biosensori: simulazioni COMSOL

Il presente lavoro di tesi è stato sviluppato mediante il software COMSOL Multiphysics, con l'obiettivo di analizzare l'influenza della distanza tra gli elettrodi sul comportamento di biosensori elettrochimici. L'utilizzo di questo software consente, infatti, di ridurre tempi e costi rispetto ai test sperimentali, permettendo al contempo di descrivere in maniera integrata i fenomeni elettrici, diffusivi ed elettrochimici che avvengono all'interfaccia elettrodo/soluzione. Dopo una parte introduttiva dedicata ai principi dei biosensori elettrochimici e alle principali tecniche di analisi, sono state sviluppate due configurazioni tridimensionali del modello. Nella prima, caratterizzata da una geometria semplificata con potenziale applicato dal basso, sono stati eseguiti studi di ciclovoltammetria (CV) e spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). In una seconda fase, la geometria è stata modificata applicando il potenziale lateralmente, così da riprodurre più fedelmente le condizioni operative delle celle sperimentali; su questa configurazione sono stati svolti anche studi di cronoamperometria (CA) e sono state valutate diverse distanze tra gli elettrodi. I risultati mostrano che la distanza tra gli elettrodi influisce in modo significativo sulle risposte ottenute tramite le diverse tecniche analizzate. Per valori inferiori a circa 100 µm iniziano a manifestarsi effetti riconducibili alla ridotta separazione tra gli elettrodi, quali la sovrapposizione dei fronti di diffusione, la scomparsa dei picchi voltammetrici e l'aumento della corrente diffusiva, come evidenziato dalla CV. Le analisi di EIS indicano una diminuzione del contributo diffusivo e una risposta più capacitiva, mentre la CA conferma l'incremento della corrente al diminuire dello spacing. Per distanze superiori a questo limite, invece, il sistema mantiene un comportamento coerente con un regime diffusivo alimentato dal bulk. Complessivamente, tali evidenze indicano che il parametro geometrico della distanza tra gli elettrodi riveste un ruolo cruciale nella progettazione di biosensori: oltre la soglia indicativa di 100 µm il comportamento elettrochimico risulta più vicino a quello tipico dei macroelettrodi, mentre per distanze inferiori emergono caratteristiche assimilabili a quelle dei microelettrodi, nonostante le dimensioni degli elettrodi rimangano invariate.