Academic literature on the topic 'Naso elettronico'

Le emissioni odorigene causano fastidio per la popolazione residente vicino ad impianti industriali. La valutazione del disturbo è complessa, poiché l’odore è associato alla percezione umana: risulta perciò complicato applicare una regolamentazione, dal momento che in Italia non esiste una legislazione specifica (esistono linee guida, ma senza valore a livello nazionale). Il presente lavoro di tesi ha ampliato lo studio del 2015, nel quale sono state valutate le emissioni odorigene e le immissioni di un comparto per la gestione integrata dei rifiuti, collocato a Nord di Ravenna, tramite il reclutamento di sentinelle per la compilazione di schede di segnalazione dell’odore. Questa tesi ha previsto un’ulteriore compilazione delle schede da parte dei cittadini e la valutazione delle emissioni caratterizzate analizzando, con la tecnica dell’olfattometria dinamica, campioni di aria prelevati dalle sorgenti. I dati di emissione ottenuti (espressi in unità odoritriche/m3) sono stati inseriti come dati di input in un modello di dispersione atmosferica, LAPMOD (LAgrangianParticleMODel), che utilizza un algoritmo per la determinazione delle concentrazioni orarie di picco di odorosità. I file restituiti dal modello sono stati elaborati, con l’ausilio di sistemi geo-informatici (Qgis), per ottenere le mappe di isoconcentrazione, come definito dalle linee guida della regione Lombardia, che rappresentano i principali riferimenti normativi. La nuova ricerca ha previsto l’addestramento di un naso elettronico, posizionato presso un recettore sensibile, utilizzato come sistema di monitoraggio in continuo; è stata individuata, così, la sorgente maggiormente impattante tra quelle analizzate, ossia la vasca decantazione fanghi. Infine, le stime ricavate dal modello sono state validate utilizzando le schede di segnalazione dell’odore. Le ore segnalate, corrispondenti all’ 1,4% del tempo complessivo d’indagine, sono risultate inferiori alla soglia prevista dalle linee guida.

Nella società attuale, il problema dell’inquinamento è diventato sempre più all’ordine del giorno. I paesi, in particolare quelli più sviluppati economicamente che appartengono al G20, riunitisi a Roma il 30/10/2021 hanno stabilito un fondo di cento miliardi di euro per la lotta ai cambiamenti climatici. Questa decisione è lo specchio dell’interesse dei cittadini, i quali si sono sensibilizzati sempre più nella lotta allo spreco e all’inquinamento. In questa trattazione viene analizzato uno strumento definito come “naso elettronico” che in futuro potrebbe rivoluzionare i metodi di rilevazione degli inquinanti, in particolare quelli odorigeni. La necessità di ridurre le emissioni ha fatto si che negli ultimi anni si siano investite ingenti somme di denaro per la sperimentazione e l’implementazione di nuovi dispositivi per la rilevazione di inquinanti più veloci, precisi e performanti. In particolare, diversi studi hanno reso utilizzabile e con discreti risultati il naso elettronico. Di seguito verranno analizzati la struttura, le componenti principali, i campi di impiego e la lavorazione software per il riconoscimento delle sostanze del naso elettronico.

Il processo di compostaggio è il metodo più antico ed al tempo stesso innovativo di trasformazione dei rifiuti. La trasformazione in impianti di compostaggio industriale ricrea lo stesso processo semplice ma in scala maggiore processando molte tonnellate/anno di rifiuto con particolare riguardo a quello proveniente da raccolta differenziata. Il presente elaborato, oltre ad illustrare le nuove tecnologie di produzione nelle realtà locali della zona Romagnola, ha inteso indagare un aspetto alternativo ed innovativo di valutazione del compost. A supporto di quanto già previsto alla specifica normativa di settore e nell'ottica dell'ottimizzazione del processo, è stata valutata la possibilità di uso della tecnica analitica di microestrazione in fase solida (SPME) e della tecnica strumentale con naso elettronico. Si è inteso verificare anche come l'utilizzo di carbone vegetale, aggiunto alla fase di maturazione, possa apportare un contributo significativo nel controllo delle emissioni odorigene, problematica diffusa nelle aree limitrofe ad impianti di compostaggio. L'utilizzo delle tecniche di estrazione in fase solida (SPME) ha dimostrato che durante il processo le componenti odorigene tendono a ridursi notevolmente modificandosi in modo apprezzabile e valutabile mediante analisi GC-MS. L'aggiunta di carbone vegetale alla fase di maturazione contribuisce alla riduzione delle emissioni odorigene. I risultati ottenuti evidenziano come l'utilizzo dei sistemi proposti possa portare ad un'economicità qualora si riscontrassero tempi di maturazione variabili per le tipologie di materiale trattato, riducendo così i tempi di permanenza nei tunnel di maturazione e come le tecniche SPME e naso elettronico possano essere accoppiate per ottenere risultati complementari così da costruire un'informazione complessiva completa. Possibili sviluppi dello studio potrebbero essere improntati alla verifica puntuale del grado di maturazione in relazione alla tipologia del materiale in ingresso ed alla stagionalità nonché all'utilizzo di tali tecniche ad altre matrici e nell'ambito dell'individuazione della presenza di composti indesiderati in matrici ambientali.

Negli ultimi dieci anni le reti neurali sono state implementate in moltissimi processi produttivi alimentari andando a semplificare quelle che sono le complesse procedure di controllo ed analisi degli alimenti, sia on-line che off-line. Nel corso di questa tesi verranno analizzare le applicazioni di reti neurali artificiali in tale settore. Una discussione più approfondita riguarderà l’applicazione delle reti accoppiate all’utilizzo del naso elettronico e dei sistemi di computer vision.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è stato quello di studiare l’efficacia e l’applicabilità dello strumento HERACLES II Flash Gas Chromatography Electronic Nose mediante l’analisi di un set molto ampio di campioni di oli d’oliva vergini reperiti presso un concorso nazionale. Nello specifico, mediante elaborazioni di statistica multivariata dei dati, è stata valutata sia la capacità discriminante del metodo per campioni caratterizzati da un diverso profilo sensoriale, sia la correlazione esistente tra l’intensità delle sensazioni percepite per via sensoriale ed i dati ottenuti mediante l’analisi strumentale. La valutazione delle caratteristiche sensoriali dei campioni è stata realizzata in occasione dello stesso concorso da parte di un gruppo di giudici esperti e secondo le modalità stabilite dai regolamenti comunitari. Ogni campione è stato valutato da almeno 8 assaggiatori che hanno determinato l’intensità di caratteristiche olfattive (eventuali difetti, fruttato e note secondarie positive) e gustative (amaro e piccante). La determinazione dei composti volatili, invece, è stata condotta mediante lo strumento HERACLES II Electronic Nose (AlphaMOS), dotato di due colonne cromatografiche caratterizzate da diversa polarità (MXT-5 con fase stazionaria apolare e MXT-WAX con fase stazionaria polare), ciascuna collegata ad un rivelatore di tipo FID. L’elaborazione multivariata dei dati è stata realizzata mediante il software in dotazione con lo strumento.

L’elaborato tratta la tematica della tematica del comfort ambientale e nell'analisi dell’aria negli ambienti indoor sfruttando un naso elettronico già assemblato. La tesi ha affrontato un breve excursus sulle modalità di misurazione attuali, sulla normativa e direttive, sulla tecnologia dei sensori esistenti, lo stato dell’arte attuale dei nasi ed esempi interessanti. Data la complessità dei sensori e della loro sensibilità a diverse sostanze, è stato affrontato il problema della calibratura, della interpretazione dei dati e della individuazione delle concentrazione di diversi tipi di inquinanti. Un primo esperimento è stato condotto nella Scuola di Veterinaria. Le prove sperimentali successive sono state svolte in ambienti confinati che rappresentano la parte più importante al fine di valutare la IAQ. Sono state svolte tre diverse tipologie di analisi indoor. Queste misurazioni sono state svolte in differenti ambienti chiusi, con regimi di ventilazione differenti, per una più amplia gamma di dati necessari per le conclusioni. L’analisi chimica però ha permesso di monitorare le sostanze chimiche presenti nell'aria, ma non ha potuto determinare i problemi di molestia olfattiva che si possono avere. Si è concluso osservando che oggigiorno la progettazione e realizzazione di impianti deve porre attenzione al benessere delle persone che frequentano ambienti chiusi. Diventa fondamentale garantire adeguate condizioni termo-igrometriche, ricambi d’aria e trattamenti di filtraggio, in modo tale che l’inquinamento interno si possa considerare quantomeno accettabile. La possibilità di monitorare diverse sostanze inquinanti in tempo reale offrirà in futuro la possibilità di ottimizzare i ricambi d'aria e la qualità indoor

Il genere Hipparchia Fabricius è uno dei generi tassonomicamente più difficile dei satiridi paleartici. Esso comprende gruppi di taxa con caratteristiche esterne simili, ma con profonde differenze nei genitali maschili e negli androconi. Studi pregressi sul comportamento hanno evidenziato in alcune specie l’esistenza di un corteggiamento articolato per l'accoppiamento. La maggior parte delle volte, le sequenze di corteggiamento rilevate sono comparabili tra specie, ma possono presentare differenze nell’esecuzione e nell’ordine dei moduli comportamentali comuni; in altri casi, invece, sono caratterizzati da moduli esclusivi che presentano solo determinate specie. L’isolamento riproduttivo fra due specie è il risultato di un gran numero di meccanismi, più o meno indipendenti gli uni dagli altri, e l’importanza relativa dei vari fattori può cambiare da un gruppo di specie all’altro. La riproduzione tra specie animali, soprattutto simpatriche e strettamente affini, è comunemente impedita da una serie di fattori ecologici, comportamentali e citogenetici. Tra i meccanismi di isolamento riproduttivo precopula, quelli di tipo etologico costituiscono la classe più importante. Il funzionamento di tali meccanismi si basa essenzialmente sull’incompatibilità comportamentale dei segnali scambiati tra gli individui eterospecifici. In generale, in condizioni di allopatria , specie strettamente affini possono permettersi di utilizzare segnali di corteggiamento più generici (i.e., aspecifici), meno costosi e variabili, mentre in condizioni di simpatria la selezione naturale può favorire la diversificazione di atti di corteggiamento e di esibizioni sessuali articolate, mediate dalla scelta femminile, anche laddove non vi sia alcuna ibridazione eterospecifica. Questo lavoro di tesi ha l’obiettivo principale di approfondire lo studio del corteggiamento nelle due specie criptiche, Hipparchia fagi ed H. alcyone, al fine di comprendere quali stimoli, visivo-comportamentali ed, in misura preliminare, chimici, caratterizzano i due taxa ed assicurano l’accoppiamento tra individui conspecifici. Queste due specie sono simpatriche e sintopiche ad altitudini comprese tra 800 - 1000 m; gli adulti mostrano un periodo di volo sovrapposto (luglio -agosto) e frequentano habitat simili tra bosco ed aree ecotonali prato-bosco; inoltre sono molto simili nel pattern alare e di difficile determinazione, senza un attento esame delle strutture genitali maschili e femminili. Lo studio del comportamento sessuale in queste due specie è stato eseguito in natura su popolazioni localizzate nei pressi della Pineta (930 m) situata tra le località di Vallemare e Borbona (RI) nel Lazio. Alle osservazioni in natura sono state affiancate osservazioni all’interno di una voliera sia su individui selvatici, che su individui di allevamento, provenienti dalla stessa area di studio, presso i Laboratori di Ecologia Sperimentale ed Acquacoltura dell’Università di Roma Tor Vergata. Questo studio ha rivelato nelle due specie lo stesso sistema nuziale, una poliginia con monandria delle femmine, ed un pattern comportamentale sessuale molto simile: il maschio attende la femmina, posato sui tronchi d’albero come sulle pareti della voliera; al passaggio della femmina, prende volo e la insegue fino alla posa; segue quindi un rituale articolato dalla struttura temporale e dai meccanismi di interazione maschiofemmina analoghi nelle due specie. La sequenza di corteggiamento appare costituita dai sei moduli comportamentali: Fanning, Circling, Bowing, Antenna orientation, Copulation attempt e Clasping, eseguiti nell’ordine dato in entrambe le specie. Il maschio può ottenere l’accoppiamento dopo aver eseguito una sola volta la sequenza di corteggiamento, ma nella maggior parte dei casi, ciò avviene dopo la successione di più sequenze (o di frammenti di essa), probabilmente in risposta alla disponibilità ad accoppiarsi della femmina. Il comportamento della femmina sembra infatti influenzare l’esecuzione delle azioni del maschio, determinando la frammentazione della sequenza e la ripetizione dei singoli moduli o dell’intera sequenza. Nei rituali più articolati, il maschio tende a ricominciare la sequenza di corteggiamento dal Bowing o da moduli precedenti e, solo dopo un apparente consenso della femmina, può procedere nella sequenza fino alla copula. Le due specie, inoltre, mostrano un corteggiamento molto simile nelle tempistiche dei sei moduli comportamentali componenti la sequenza. In entrambe, infatti, i moduli iniziali (Fanning e Circling) e finali (Copulation attempt e Clasping) mostrano durate comparabili e sono eseguiti in media una sola volta nella sequenza di corteggiamento. I moduli centrali della sequenza (Bowing ed Antenna orientation) sono invece replicati molte volte, sempre in associazione, e caratterizzati da durate molto brevi. L’unico carattere comportamentale che distingue le due specie è la frequenza con cui il maschio effettua il Bowing: in H. alcyone sempre maggiore di quella misurata in H. fagi. Questo modulo sembra essere la fase cruciale del corteggiamento, sia per il numero di repliche sia per la sua perfomance. Nel Bowing infatti il maschio afferra e trattiene le antenne della femmina tra le ali anteriori facendole scivolare sulle sue squame androconiali, secretrici di feromoni. Moduli fortemente stereotipati, come il Bowing, probabilmente incrementano l’intensità del segnale ormonale rilasciato, assumendo un ruolo importante nella stimolazione della partner ad acconsentire alla copula. Queste osservazioni suggeriscono il coinvolgimento di segnali chimici, oltre che visivo-comportamentali, nell’interazione tra i sessi. Le indagini preliminari sul rilascio dei feromoni mediante l’applicazione del Naso elettronico hanno rilevato un simile pattern chimico dei composti volatili emessi dai maschi nelle due specie. Specie affini possono avere una simile composizione chimica del bouquet dei composti rilasciati e differire per la concentrazione relativa degli stessi composti. Non è facile determinare in quale misura le differenze rilevate nelle specie esaminate possano contribuire all’isolamento riproduttivo tra i due taxa, ma differenze quantitative comportamentali sembrano essere sufficienti ad impedire una perfetta sincronizzazione della disponibilità all’accoppiamento in molte specie animali e, soprattutto, in specie affini.
Species differences in characters involved in reproductive isolation are candidates for factors that caused speciation. It is not easy to understand whether the species differences that we can detect have been actually involved in speciation, because most species pairs have been accumulating genetic differences since the speciation process was completed often developing multiple reproductive isolating mechanisms. In Hipparchia species and in many taxa of Satyrine butterflies, both sexes have evolved complex genitalia that can mechanically impede the copulation between different species while males have scent located in patches or dispersed on their wings, probably pheromone releaser. Surprisingly, in spite of a growing amount of information on morphology and rearing methods of several species, only the works of Tinbergen on H. semele and some recent research specifically deal with mating behaviour of the genus Hipparchia. Courtship is an important character linked to fitness and can evolve in response to female mate choice, to ensure sex identity and quality of a potential mate. It can also be a major pre-mating isolating mechanism in butterflies and many other species. The aim of this work was to study in detail the reproductive behaviour of two sibling species, Hipparchia fagi and H. alcyone in order to understand which species -specific, visual, behavioural or chemical stimuli are involved in courtship. These two species are sympatric and syntopic at 800 - 1000 m of altitude; adult flight periods overlap in July and August and take place in similar habitats; the two butterflies have very similar wing patterns and sometimes it is very difficult to recognise the species without the exam of male and female genitalia structures. The behavioural study was conducted daily, both in the wild and in captivity, during the reproductive seasons in some areas near Vallemare (1,100 m a.s.l.) in the Central Appennines (Rieti, Italy). The observations were carried out with captive and reared individuals inside a large outdoor “flight cage” built in the same locality and in the garden of the Laboratori di Ecologia Sperimentale ed Acquacoltura (University of Roma Tor Vergata). In this study, different aspects of the butterfly reproductive behaviour are described. First, the ethogram and the sequential structure of courtship are showed; second, various parameters of each courtship step are measured; third, the results in H. fagi are compared with the behaviour of the species H. alcyone; fourth, the mating system of each species is described. Moreover, the male chemical patterns were detected by the application of the Electronic Nose and the results in H. fagi were compared with those of H.alcyone. The study reveals general patterns of sexual behaviour in H. fagi and in H. alcyone, that are mainly identical in both species: perching strategy, flight pursuit and courtship. Likewise, the two species show a similar polygynous mating system, with female monandry. In both species, the results revealed a highly stereotypic courtship that consists of six steps (Fanning, Circling, Bowing, Antenna orientation, Copulation attempt e Clasping) leading to the copulation. Courtship most likely follows up to the end, once the male has started with the sequence. However, the development of the courtship seems to respond to the female behaviour, reflecting the complexity of the male -female interaction during the whole sequence. In both species courtship sequence seems to mostly be the outcome of the female’s reaction: her interruptions can produce fragmented sequences and, more interestingly, can induce the repetition of the sequence around a specific point, with the male persisting in courting the female. Male can mate after displaying the courtship sequence once, but mostly repeats the whole sequence or part of it more than once, restarting from Bowing or previous steps, likely waiting for female signals. The behavioural sequential analysis also showed that a male displays the initial and the final phases of the sequence only once, while he can repeat Bowing and Antenna orientation a lot of times in the same sequence. The comparison between H. fagi and H. alcyone showed quantitative interesting differences. The frequency of Bowing is the unique behavioural character that allows to tell apart the two study species , as H. alcyone shows a greater frequency than H. fagi. In satyrine butterflies, male androconia provide the necessary cue, probably of chemical nature, for a successful courtship, and the display of Bowing is likely of primary importance for the production of male pheromones. During Bowing the male repeatedly bashes or strokes the female’s antennae against the androconial scales on his forewing dorsal surface. Bowing could convey chemotactic information to the female, and its repetition within a sequence could represent a mechanical stimulation for her, with the secretion from androconial patches on the male’s forewings. This phase could be of great importance, as a persistent male could drive a female at first unreceptive to eventually mate. Scents and visual stimuli could have an essential role in mating communication: they could operate synergistically and help the female in her decision of acceptance or rejection of a specific male; they could function as sexspecific signals facilitating sexual identification during courtship. The detection of the butterfly smell by Electronic Nose revealed a similar male chemical pattern in both species. In insects and especially in butterflies, pheromones are chemical signals whose composition varies enormously between species and they typically comprise more than one active component. Frequently sympatric species show the same pheromone components, but in different combinations or ratios. In absence of experimental crossability tests between species, it is not possible to be investigate if different visual (i.e., different performance of a male action) or chemical stimuli would change the female response and impede crossmating. However, the behavioural differences observed in H. fagi and H. alcyone could act as important discordant cues, in case of encounters with heterospecific females, and could reflect the presence of different chemical cues (not yet identified) between the two species.

Il lavoro di questa tesi di dottorato riguarda essenzialmente la preparazione di recettori molecolari basati su porfirinoidi e lo studio dei sistemi supramolecolari a cui tali composti possono dar luogo in soluzione. La versatilità di sintesi e di funzionalizzazione delle porfirine, infatti, ha da sempre suscitato un grande interesse che, negli ultimi decenni, è stato rivolto non soltanto allo studio della loro reattività e delle loro proprietà chimiche e fisiche, ma anche alla preparazione e caratterizzazione di composti analoghi. L’intensa attività di ricerca su tali composti ne ha permesso diverse applicazioni pratiche, che vanno dalla costruzione di modelli biomimetici, alla preparazione di catalizzatori e materiali sensibili per sensori. La mia attività di ricerca, svolta nel corso del triennio di dottorato, può essere schematicamente suddivisa in tre principali tematiche, la prima riguardante la preparazione di recettori ditopici costituiti da porfirine e cavitandi e lo studio di particolari sistemi supramolecolari a cui essi possono dare origine in soluzione, la seconda riguardante lo studio del fenomeno di aggregazione di porfirinoidi anfifili chirali ed infine l’ultima riguardante lo studio della reattività dei corroli e relativi complessi metallici nel caso della reazione di nitrazione. In particolare, lo studio dei sistemi supramolecolari ditopici è stato focalizzato sulla caratterizzazione di sistemi “2+2” derivanti dalla complessazione di particolari ligandi da parte dei recettori preparati. La scelta dei ligandi si è riflessa nella formazione di capsule non covalenti dotate di uno spazio interno caratterizzato o meno da elementi di chiralità, come è stato ben dimostrato da studi di dicroismo circolare. Inoltre è stato studiata la bontà di tali strutture ditopiche in ambito sensoristico, utilizzandole come materiale sensibile dei sensori nanogravimentrici, che costituiscono il naso elettronico sviluppato presso i nostri laboratori. Lo studio del fenomeno di aggregazione di porfirinoidi anfifili è stato condotto utilizzando le principali tecniche spettroscopiche, quali spettroscopia UV-vis, fluorescenza, dicroismo circolare e Resonance Light Scattering. Dopo aver preparato un derivato anfifilo chirale cationico di una tetrafenilporfirina, non solo è stato analizzato il fenomeno di aggregazione di questo macrociclo, ma anche l’eteroaggregazione dello stesso su un template costituito da aggregati supramolecolari chirali formati dall’analogo macrociclo anionico. Sono stati inoltre condotti degli studi preliminari sull’aggregazione di un corrolo anionico, fenomeno mai indagato in letteratura fino ad oggi. Infine per quanto riguarda i corroli, è stata studiata la reattività delle posizioni periferiche di tali macrocicli nella reazione di nitrazione e messo a punto una nuova metodologia sintetica per la preparazione di nitroderivati di questi composti e di alcuni complessi metallici: l’ottenimento di tali strutture è infatti di notevole interesse, rappresentando queste delle ottime piattaforme di base per la costruzione di strutture fuse più complesse. Parole chiave: Sistemi Host-Guest, Porfirine, Resorcinareni, Riconoscimento Molecolare, Chiralità, Sensori chimici (Naso Elettronico), Aggregati supramolecolari, Corroli, Nitrazione.
This PhD thesis deals with the preparation of molecular receptors based on porphyrins and related macrocycles, as well as the investigation of supramolecular systems that they originate in solution. The synthetic versatility of porphyrin systems together with their unique and remarkable chemical and physical characteristics account the great attention towards these compounds and their synthetic analogues. In the last decade, the massive research activities carried out on these macrocycles led to the exploitation of such systems in a large number of practical applications, such as the construction of biomimetic systems, sensors analyses and catalytic processes. This thesis is focused on three different topics, the first one concerning the preparation of ditopic receptors constituted by porphyrin-cavitand conjugates and the investigation of supramolecular systems they originate in solution; the second topic deals with kinetic and spectroscopic studies on the self-aggregation of amphiphilic, chiral porphyrinoids; the latter regards the preparation of functionalized corroles and metallocorroles in order to study their reactivity in a specific reaction. Two Resorcinarene-Zn-porphyrin conjugates have been synthesized to obtain new organic material for chemical sensors; among the main spectroscopic characterizations, the formation in solution of supramolecular systems under metal coordination of ligands properly shaped have been investigated. More in sight, the use of chiral, bidentate ligands originated supramolecular “2+2” capsules, possessing elements of chirality. The goodness of these new structures in terms of sensitivity has been also tested, exploiting them as CIMs in nanogravimetric sensors which constitute the electronic nose, developed in our laboratories. The study of aggregation phenomena of amphiphilic porphyrinoids has been carried out by different spectroscopic techniques, such as UV-vis spectroscopy, Fluorescence, Circular Dichroism and Resonance Light Scattering. These studies dealt in particular with the heteroaggregation of a chiral, cationic porphyrin derivative onto preformed supramolecular aggregates of the anionic chiral analogue, affording remarkable results about the amplification of chirality for the resulting binary system. Moreover, preliminary aggregation experiments were performed on an anionic corrole, giving some indications about the unknown aggregation properties of such class of molecules. Finally, the reactivity of the peripheral beta positions of corroles has been studied in the nitration reaction; a new synthetic strategy has been tuned to obtain nitroderivatives of silver, copper and iron corroles. The achievement of such nitrocompounds can be of fundamental importance for the construction of more elaborated β-fused structures, displaying intriguing optoelectronic properties. Keywords: Host-Guest Systems, Porphyrins, Resorcinarenes, Molecular Recognition, Chirality, Chemical sensors (Electronic Nose), Supramolecular Aggregates, Corroles, Nitration.

Tra le applicazioni all'avanguardia di materiali a base di carbonio nanostrutturato, come grafene e nanotubi di carbonio (CNTs), l'analisi del respiro (i.e. breathomics), il monitoraggio ambientale e l'industria alimentare stanno oggigiorno sfidando la fisica, la chimica e l’ingegneria dei materiali a sviluppare piattaforme di sensori estremamente sensibili, affidabili e stabili, che siano in grado di rilevare piccolissime quantità (ordine dei ppb) di molecole di gas nell’ambiente che le circonda. In questa tesi, verrà presentato lo sviluppo di 6 piattaforme di sensori di gas. Queste piattaforme saranno sviluppate con carbonio nanostrutturato e avranno come scopo principale quello di discriminare potenziali patologie attraverso il riconoscimento di pattern molecolari presenti nel respiro esalato, nonché la loro possibile applicazione nel monitoraggio ambientale degli inquinanti e nell’industria alimentare. Questo obbiettivo verrà realizzato sviluppando dapprima piattaforme a base di CNTs su un substrato di plastica o su silicio/ossido di silicio e successivamente a base di grafene su nitruro di silicio. Verranno esplorati diversi metodi di funzionalizzazione sia per i CNTs che per il grafene, per aumentarne la sensitività, e verranno utilizzati diversi materiali per la funzionalizzazione, incluse nanoparticelle, molecole organiche o sali di diazonio. Tecniche di spettroscopie Raman ed elettroniche unitamente a microscopia a forza atomica verranno utilizzare per caratterizzare i campioni, mentre le esposizioni di gas verranno effettuate in aria, condizione più simile a quella delle applicazioni finali dei sensori, cercando di indagare concentrazioni dei gas selezionati nel sub-ppm o di poche decine di ppm. L’analisi delle componenti principali (PCA) verrà utilizzata per testare le capacità di discriminazione dei gas delle piattaforme sviluppate. Infine, uno dei nasi elettronici sviluppati verrà testato con il respiro esalato di soggetti sani o affetti da broncopneumopatie cronico ostruttive (COPD), dimostrando un’ottima capacità di discriminare e riconoscere le due classi di pazienti.
Among forefront applications of nanostructured carbon materials such as graphene and nanotubes, breathomics, environmental monitoring and food industry are challenging physics, chemistry and device engineering to develop extremely sensitive, selective, and stable platform to recognize ppb amount of target molecules in the environment. In this thesis, the development of 6 platforms will be presented. The platforms are based on nanostructured carbon aimed mostly to discriminate potential pathologies through pattern recognition in molecular fingerprint of breath samples, but also for environmental monitoring or food industry applications. This objective will be realized through properly developed devices based first on CNTs on a plastic substrate or on silicon/silicon oxide substrate and then on graphene on silicon nitride. Different kinds of functionalization techniques of graphene and CNTs will be explored to enhance the sensitivity of the pristine layers, as well as different functionalization materials, going from nanoparticles to organic molecules or diazonium salt precursors. The characterization of the materials involves electron and Raman spectroscopies, as well as atomic force microscopy, while gas exposures are carried out in the lab environment, which is much closer to the destination of the developed sensors, trying to investigate a low-ppm range or sub-ppm range of the considered gases. The gas discrimination is assessed through principal component analysis (PCA). Finally, one of the developed devices is exposed to the exhaled breath of healthy subjects or patients affected by chronic obstructive pulmonary diseases (COPD), demonstrating a remarkable capability to discriminate between healthy and sick patients.

The energy harvesting research field has grown considerably in the last decade due to increasing interests in energy autonomous sensing systems, which require smart and efficient interfaces for extracting power from energy source and power management (PM) circuits. This thesis investigates the design trade-offs for minimizing the intrinsic power of PM circuits, in order to allow operation with very weak energy sources. For validation purposes, three different integrated power converter and PM circuits for energy harvesting applications are presented. They have been designed for nano-power operations and single-source converters can operate with input power lower than 1 μW. The first IC is a buck-boost converter for piezoelectric transducers (PZ) implementing Synchronous Electrical Charge Extraction (SECE), a non-linear energy extraction technique. Moreover, Residual Charge Inversion technique is exploited for extracting energy from PZ with weak and irregular excitations (i.e. lower voltage), and the implemented PM policy, named Two-Way Energy Storage, considerably reduces the start-up time of the converter, improving the overall conversion efficiency. The second proposed IC is a general-purpose buck-boost converter for low-voltage DC energy sources, up to 2.5 V. An ultra-low-power MPPT circuit has been designed in order to track variations of source power. Furthermore, a capacitive boost circuit has been included, allowing the converter start-up from a source voltage VDC0 = 223 mV. A nano-power programmable linear regulator is also included in order to provide a stable voltage to the load. The third IC implements an heterogeneous multisource buck-boost converter. It provides up to 9 independent input channels, of which 5 are specific for PZ (with SECE) and 4 for DC energy sources with MPPT. The inductor is shared among channels and an arbiter, designed with asynchronous logic to reduce the energy consumption, avoids simultaneous access to the buck-boost core, with a dynamic schedule based on source priority.