Riassunto analitico
I sensori acquisiscono sempre maggiore importanza nelle scienze della vita. Sia nel campo biomedicale, dove è sempre più auspicabile un continuo monitoraggio dei principali parametri vitali, che nell'industria alimentare, dove il controllo della qualità è ormai un requisito fondamentale.
Tuttavia, ogni ambito applicativo richiede una specifica tecnica di misura.
La presente tesi descrive la progettazione e la realizzazione di differenti tipologie di sensori per la misura di importanti parametri nelle scienze della vita.
Inizialmente si descriverà la realizzazione di un sensore opto-chimico per la misura del pH e della pCO2 del sangue durante la circolazione extracorporea. Il sensore sviluppato è costituito da un elemento di sensing polimerico monouso, da una testa ottica di interrogazione e dall'elettronica di front-end e di controllo. L'indicatore di pH utilizzato è un nuovo tipo di monomero fluorescente (fluoresceina O-metacrilata), in grado di legarsi covalentemente alla matrice polimerica, così da ridurre la fuoriuscita di indicatore.
Il sensore è stato testato dapprima in acqua, quindi in-vitro su sangue bovino ed infine ex-vivo su una pecora e un maiale. Il sensore ha mostrato un comportamento lineare all'interno del range fisiologico, dimostrando di essere idoneo per un'applicazione biomedicale.
In seguito, si presenterà una combinazione di tecniche elettrochimiche e ottiche, mediante l'integrazione sullo stesso chip di tecniche SPR (Surface Plasmon Resonance) ed elettrochimiche. Il sistema è basato sullo strumento per misure SPR sviluppato presso l'Istituto di Fotonica ed Elettronica AS CR di Praga. Tale sistema presenta quattro canali di misura indipendenti; pertanto, sono state sviluppate quattro celle elettrochimiche, una per ogni canale, consentendo di effettuare quattro misure elettrochimiche contemporanee e indipendenti tra loro. Il substrato d'oro, utilizzato per misure SPR, è stato utilizzato anche come elettrodo di lavoro inserendo, all'interno di ogni cella, altri due elettrodi planari d'oro (elettrodo di riferimento e controelettrodo). Insieme alla realizzazione delle celle elettrochimiche, è stata sviluppata anche un'elettronica custom, in grado di applicare un potenziale arbitrario tra l'elettrodo di lavoro e quello di riferimento e misurare la corrente che scorre fra l'elettrodo di lavoro e il controelettrodo. Il biosensore realizzato dalla combinazione delle due tecniche, elettrochimica e SPR, è stato quindi utilizzato per studiare l'ibridazione delle molecole di DNA. In particolare, si è dimostrato che è possibile ottenere la densità voluta di molecole di DNA ottimizzando il potenziale applicato e che tale potenziale può essere anche utilizzato per la rigenerazione del chip SPR.
Infine saranno presentati due sensori sviluppati per l'industria alimentare, utilizzando sia tecniche elettrochimiche che ottiche.
In particolare, un sensore elettrochimico è stato sviluppato per stimare la concentrazione di glicerolo nel mosto d'uva durante la vendemmia, al fine di controllare la qualità delle uve. Insieme all'elemento di sensing elettrochimico, è stato sviluppato un sistema fluidico automatizzato mediante l'ausilio di micropompe a membrana. Il sistema, quindi, è stato testato durante la vendemmia su diversi tipi di mosto.
Un sensore ottico, invece, è stato realizzato per stimare la concentrazione di antibiotici nel latte, sfruttando la variazione di assorbanza di una specifica molecola organica in presenza di antibiotici. Il sistema, pertanto, è costituito da una testa ottica di interrogazione e dall'elettronica di front-end e processing del segnale. Il sistema, infine, è stato testato dapprima su soluzioni buffer quindi su campioni di latte con differenti concentrazioni di antibiotico.
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Abstract
Nowadays, sensors are becoming more and more important in life sciences. Both in biomedical fields where the need of a continuous monitoring of body parameters is a desired characteristic and in food industry, where checking the quality of the rough materials is now a fundamental requirement. Nevertheless, different environments require specific sensing techniques.
The present thesis focuses on the study, design and realization of different kinds of sensors for the measurement of important parameters in life science fields.
Firstly, this work deals with the realization of an optochemical sensor for biomedical applications, in particular to measure the pH and pCO2 of blood in extracorporeal circulation. The developed sensor consists of a disposable low-cost polymer sensing element, the interrogation optical head and the front-end and control electronics. The pH-sensitive dye is a new kind of fluorescent monomer, the fluorescein O-methacrylate, which is able to covalently link to the polymer matrix, in order to minimize the dye leaching. Several tests have been performed; the sensor has been firstly tested on water, then in-vitro on cow blood and finally ex-vivo on a sheep and a pig. The sensor showed a linear behavior in the physiological range, making it suitable for biomedical applications.
Secondly, a combination of optics and electrochemistry will be presented, with the integration of the SPR (Surface Plasmon Resonance) and electrochemical techniques on the same sensing chip. The system is based on a four-channel SPR sensor system developed at the Institute of Photonics and Electronics AS CR, Prague. Since the SPR system provides four independent channels, an in-situ electrochemical cell has been realized in each channel, allowing four simultaneous electrochemical measurements. The gold substrate used for SPR measurement was used as the working electrode and two further planar gold electrodes (the reference and the counter electrodes) were inserted in the same flow cell. Together with the realization of the electrochemical cells, a custom electronics has been designed and realized. The electronics is able to set an arbitrary potential between the reference and working electrodes and to measure the current flowing between the counter and the working electrodes. The electrochemical SPR biosensor was used to study DNA hybridization. It is shown that desired probe density can be achieved by optimizing the potential and that potential can be used for regeneration of the SPR chip .
Finally, two sensors for the food industry will be presented, deploying both the electrochemical and optical techniques.
An electrochemical sensor has been designed to estimate the concentration of glycerol in the grape juice during the grape harvest, in order to check the grapes quality. Together with the sensing element, an automatic fluidic system has been developed, using membrane micropumps. Finally, the sensor has been tested during the grape harvest, on different kinds of grapes.
An optical sensor, instead, has been developed to study the concentration of antibiotics in milk. The sensor deploys the absorbance changes of an organic molecule in the presence of the antibiotics. Thus, the system consists of an optical head to interrogate the solution under test and a front-end and processing electronics to acquire the information on interest. The system has been tested both with buffer solutions and milk samples.
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