Modeling, design and experimental characterization of Micro-Electro-Mechanical-Systems for gas chromatographic applications

Design parameters, process flows, electro-thermal-fluidic simulations and experimental characterizations of Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) suited for gas-chromatographic (GC) applications are presented and thoroughly described in this thesis, whose topic belongs to the research activities the Institute for Microelectronics and Microsystems (IMM)-Bologna is involved since several years, i.e. the development of micro-systems for chemical analysis, based on silicon micro-machining techniques and able to perform analysis of complex gaseous mixtures, especially in the field of environmental monitoring. In this regard, attention has been focused on the development of micro-fabricated devices to be employed in a portable mini-GC system for the analysis of aromatic Volatile Organic Compounds (VOC) like Benzene, Toluene, Ethyl-benzene and Xylene (BTEX), i.e. chemical compounds which can significantly affect environment and human health because of their demonstrated carcinogenicity (benzene) or toxicity (toluene, xylene) even at parts per billion (ppb) concentrations. The most significant results achieved through the laboratory functional characterization of the mini-GC system have been reported, together with in-field analysis results carried out in a station of the Bologna air monitoring network and compared with those provided by a commercial GC system. The development of more advanced prototypes of micro-fabricated devices specifically suited for FAST-GC have been also presented (silicon capillary columns, Ultra-Low-Power (ULP) Metal OXide (MOX) sensor, Thermal Conductivity Detector (TCD)), together with the technological processes for their fabrication. The experimentally demonstrated very high sensitivity of ULP-MOX sensors to VOCs, coupled with the extremely low power consumption, makes the developed ULP-MOX sensor the most performing metal oxide sensor reported up to now in literature, while preliminary test results proved that the developed silicon capillary columns are capable of performances comparable to those of the best fused silica capillary columns. Finally, the development and the validation of a coupled electro-thermal Finite Element Model suited for both steady-state and transient analysis of the micro-devices has been described, and subsequently implemented with a fluidic part to investigate devices behaviour in presence of a gas flowing with certain volumetric flow rates.

Application of chromatographic and spectroscopic techniques in the evaluation of the lipid fraction of animal products

Lipolysis and oxidation of lipids in foods are the major biochemical and chemical processes that cause food quality deterioration, leading to the characteristic, unpalatable odour and flavour called rancidity. In addition to unpalatability, rancidity may give rise to toxic levels of certain compounds like aldehydes, hydroperoxides, epoxides and cholesterol oxidation products. In this PhD study chromatographic and spectroscopic techniques were employed to determine the degree of rancidity in different animal products and its relationship with technological parameters like feeding fat sources, packaging, processing and storage conditions. To achieve this goal capillary gas chromatography (CGC) was employed not only to determine the fatty acids profile but also, after solid phase extraction, the amount of free fatty acids (FFA), diglycerides (DG), sterols (cholesterol and phytosterols) and cholesterol oxidation products (COPs). To determine hydroperoxides, primary products of oxidation and quantify secondary products UV/VIS absorbance spectroscopy was applied. Most of the foods analysed in this study were meat products. In actual fact, lipid oxidation is a major deterioration reaction in meat and meat products and results in adverse changes in the colour, flavour and texture of meat. The development of rancidity has long recognized as a serious problem during meat handling, storage and processing. On a dairy product, a vegetal cream, a study of lipid fraction and development of rancidity during storage was carried out to evaluate its shelf-life and some nutritional features life saturated/unsaturated fatty acids ratio and phytosterols content. Then, according to the interest that has been growing around functional food in the last years, a new electrophoretic method was optimized and compared with HPLC to check the quality of a beehive product like royal jelly. This manuscript reports the main results obtained in the five activities briefly summarized as follows: 1) comparison between HPLC and a new electrophoretic method in the evaluation of authenticity of royal jelly; 2) study of the lipid fraction of a vegetal cream under different storage conditions; 3) study of lipid oxidation in minced beef during storage under a modified atmosphere packaging, before and after cooking; 4) evaluation of the influence of dietary fat and processing on the lipid fraction of chicken patties; 5) study of the lipid fraction of typical Italian and Spanish pork dry sausages and cured hams.

Food safety in wine: optimization of analytical controls and evaluation of production technologies

This PhD thesis has been proposed to validate and then apply innovative analytical methodologies for the determination of compounds with harmful impact on human health, such as biogenic amines and ochratoxin A in wines. Therefore, the influence of production technology (pH, amino acids precursor and use of different malolactic starters) on biogenic amines content in wines was evaluated. An HPLC method for simultaneous determination of amino acids and amines with precolumnderivatization with 9-Fluorenyl-methoxycarbonyl chloride (FMOC-Cl) and UV detection was developed. Initially, the influence of pH, time of derivatization, gradient profile were studied. In order to improve the separation of amino acids and amines and reduce the time of analysis, it was decided to study the influence of different flows and the use of different columns in the chromatographic method. Firstly, a C18 Luna column was used and later two monolithic columns Chromolith in series. It appeared to be suitable for an easy, precise and accurate determination of a relatively large number of amino acids and amines in wines. This method was then applied on different wines produced in the Emilia Romagna region. The investigation permitted to discriminate between red and white wines. Amino acids content is related to the winemaking process. Biogenic amines content in these wines does not represent a possible toxicological problem for human health. The results of the study of influence of technologies and wine composition demonstrated that pH of wines and amino acids content are the most important factors. Particularly wines with pH > 3,5 show higher concentration of biogenic amines than wines with lower pH. The enrichment of wines by nutrients also influences the content of some biogenic amines that are higher in wines added with amino acids precursors. In this study, amino acids and biogenic amines are not statistically affected by strain of lactic acid bacteria inoculated as a starter for malolactic fermentation. An evaluation of different clean-up (SPE-MycoSep; IACs and LLE) and determination methods (HPLC and ELISA) of ochratoxin A was carried out. The results obtained proved that the SPE clean-up are reliable at the same level while the LLE procedures shows lowest recovery. The ELISA method gave a lower determination and a low reproducibility than HPLC method.

Caratterizzazione del legame di molecole di interesse farmaceutico alla sieroalbumina umana mediante biocromatografia e dicroismo circolare

Negli ultimi anni, un crescente numero di studiosi ha focalizzato la propria attenzione sullo sviluppo di strategie che permettessero di caratterizzare le proprietà ADMET dei farmaci in via di sviluppo, il più rapidamente possibile. Questa tendenza origina dalla consapevolezza che circa la metà dei farmaci in via di sviluppo non viene commercializzato perché ha carenze nelle caratteristiche ADME, e che almeno la metà delle molecole che riescono ad essere commercializzate, hanno comunque qualche problema tossicologico o ADME [1]. Infatti, poco importa quanto una molecola possa essere attiva o specifica: perché possa diventare farmaco è necessario che venga ben assorbita, distribuita nell’organismo, metabolizzata non troppo rapidamente, ne troppo lentamente e completamente eliminata. Inoltre la molecola e i suoi metaboliti non dovrebbero essere tossici per l’organismo. Quindi è chiaro come una rapida determinazione dei parametri ADMET in fasi precoci dello sviluppo del farmaco, consenta di risparmiare tempo e denaro, permettendo di selezionare da subito i composti più promettenti e di lasciar perdere quelli con caratteristiche negative. Questa tesi si colloca in questo contesto, e mostra l’applicazione di una tecnica semplice, la biocromatografia, per caratterizzare rapidamente il legame di librerie di composti alla sieroalbumina umana (HSA). Inoltre mostra l’utilizzo di un’altra tecnica indipendente, il dicroismo circolare, che permette di studiare gli stessi sistemi farmaco-proteina, in soluzione, dando informazioni supplementari riguardo alla stereochimica del processo di legame. La HSA è la proteina più abbondante presente nel sangue. Questa proteina funziona da carrier per un gran numero di molecole, sia endogene, come ad esempio bilirubina, tiroxina, ormoni steroidei, acidi grassi, che xenobiotici. Inoltre aumenta la solubilità di molecole lipofile poco solubili in ambiente acquoso, come ad esempio i tassani. Il legame alla HSA è generalmente stereoselettivo e ad avviene a livello di siti di legame ad alta affinità. Inoltre è ben noto che la competizione tra farmaci o tra un farmaco e metaboliti endogeni, possa variare in maniera significativa la loro frazione libera, modificandone l’attività e la tossicità. Per queste sue proprietà la HSA può influenzare sia le proprietà farmacocinetiche che farmacodinamiche dei farmaci. Non è inusuale che un intero progetto di sviluppo di un farmaco possa venire abbandonato a causa di un’affinità troppo elevata alla HSA, o a un tempo di emivita troppo corto, o a una scarsa distribuzione dovuta ad un debole legame alla HSA. Dal punto di vista farmacocinetico, quindi, la HSA è la proteina di trasporto del plasma più importante. Un gran numero di pubblicazioni dimostra l’affidabilità della tecnica biocromatografica nello studio dei fenomeni di bioriconoscimento tra proteine e piccole molecole [2-6]. Il mio lavoro si è focalizzato principalmente sull’uso della biocromatografia come metodo per valutare le caratteristiche di legame di alcune serie di composti di interesse farmaceutico alla HSA, e sul miglioramento di tale tecnica. Per ottenere una miglior comprensione dei meccanismi di legame delle molecole studiate, gli stessi sistemi farmaco-HSA sono stati studiati anche con il dicroismo circolare (CD). Inizialmente, la HSA è stata immobilizzata su una colonna di silice epossidica impaccata 50 x 4.6 mm di diametro interno, utilizzando una procedura precedentemente riportata in letteratura [7], con alcune piccole modifiche. In breve, l’immobilizzazione è stata effettuata ponendo a ricircolo, attraverso una colonna precedentemente impaccata, una soluzione di HSA in determinate condizioni di pH e forza ionica. La colonna è stata quindi caratterizzata per quanto riguarda la quantità di proteina correttamente immobilizzata, attraverso l’analisi frontale di L-triptofano [8]. Di seguito, sono stati iniettati in colonna alcune soluzioni raceme di molecole note legare la HSA in maniera enantioselettiva, per controllare che la procedura di immobilizzazione non avesse modificato le proprietà di legame della proteina. Dopo essere stata caratterizzata, la colonna è stata utilizzata per determinare la percentuale di legame di una piccola serie di inibitori della proteasi HIV (IPs), e per individuarne il sito(i) di legame. La percentuale di legame è stata calcolata attraverso il fattore di capacità (k) dei campioni. Questo parametro in fase acquosa è stato estrapolato linearmente dal grafico log k contro la percentuale (v/v) di 1-propanolo presente nella fase mobile. Solamente per due dei cinque composti analizzati è stato possibile misurare direttamente il valore di k in assenza di solvente organico. Tutti gli IPs analizzati hanno mostrato un’elevata percentuale di legame alla HSA: in particolare, il valore per ritonavir, lopinavir e saquinavir è risultato maggiore del 95%. Questi risultati sono in accordo con dati presenti in letteratura, ottenuti attraverso il biosensore ottico [9]. Inoltre, questi risultati sono coerenti con la significativa riduzione di attività inibitoria di questi composti osservata in presenza di HSA. Questa riduzione sembra essere maggiore per i composti che legano maggiormente la proteina [10]. Successivamente sono stati eseguiti degli studi di competizione tramite cromatografia zonale. Questo metodo prevede di utilizzare una soluzione a concentrazione nota di un competitore come fase mobile, mentre piccole quantità di analita vengono iniettate nella colonna funzionalizzata con HSA. I competitori sono stati selezionati in base al loro legame selettivo ad uno dei principali siti di legame sulla proteina. In particolare, sono stati utilizzati salicilato di sodio, ibuprofene e valproato di sodio come marker dei siti I, II e sito della bilirubina, rispettivamente. Questi studi hanno mostrato un legame indipendente dei PIs ai siti I e II, mentre è stata osservata una debole anticooperatività per il sito della bilirubina. Lo stesso sistema farmaco-proteina è stato infine investigato in soluzione attraverso l’uso del dicroismo circolare. In particolare, è stato monitorata la variazione del segnale CD indotto di un complesso equimolare [HSA]/[bilirubina], a seguito dell’aggiunta di aliquote di ritonavir, scelto come rappresentante della serie. I risultati confermano la lieve anticooperatività per il sito della bilirubina osservato precedentemente negli studi biocromatografici. Successivamente, lo stesso protocollo descritto precedentemente è stato applicato a una colonna di silice epossidica monolitica 50 x 4.6 mm, per valutare l’affidabilità del supporto monolitico per applicazioni biocromatografiche. Il supporto monolitico monolitico ha mostrato buone caratteristiche cromatografiche in termini di contropressione, efficienza e stabilità, oltre che affidabilità nella determinazione dei parametri di legame alla HSA. Questa colonna è stata utilizzata per la determinazione della percentuale di legame alla HSA di una serie di poliamminochinoni sviluppati nell’ambito di una ricerca sulla malattia di Alzheimer. Tutti i composti hanno mostrato una percentuale di legame superiore al 95%. Inoltre, è stata osservata una correlazione tra percentuale di legame è caratteristiche della catena laterale (lunghezza e numero di gruppi amminici). Successivamente sono stati effettuati studi di competizione dei composti in esame tramite il dicroismo circolare in cui è stato evidenziato un effetto anticooperativo dei poliamminochinoni ai siti I e II, mentre rispetto al sito della bilirubina il legame si è dimostrato indipendente. Le conoscenze acquisite con il supporto monolitico precedentemente descritto, sono state applicate a una colonna di silice epossidica più corta (10 x 4.6 mm). Il metodo di determinazione della percentuale di legame utilizzato negli studi precedenti si basa su dati ottenuti con più esperimenti, quindi è necessario molto tempo prima di ottenere il dato finale. L’uso di una colonna più corta permette di ridurre i tempi di ritenzione degli analiti, per cui la determinazione della percentuale di legame alla HSA diventa molto più rapida. Si passa quindi da una analisi a medio rendimento a una analisi di screening ad alto rendimento (highthroughput- screening, HTS). Inoltre, la riduzione dei tempi di analisi, permette di evitare l’uso di soventi organici nella fase mobile. Dopo aver caratterizzato la colonna da 10 mm con lo stesso metodo precedentemente descritto per le altre colonne, sono stati iniettati una serie di standard variando il flusso della fase mobile, per valutare la possibilità di utilizzare flussi elevati. La colonna è stata quindi impiegata per stimare la percentuale di legame di una serie di molecole con differenti caratteristiche chimiche. Successivamente è stata valutata la possibilità di utilizzare una colonna così corta, anche per studi di competizione, ed è stata indagato il legame di una serie di composti al sito I. Infine è stata effettuata una valutazione della stabilità della colonna in seguito ad un uso estensivo. L’uso di supporti cromatografici funzionalizzati con albumine di diversa origine (ratto, cane, guinea pig, hamster, topo, coniglio), può essere proposto come applicazione futura di queste colonne HTS. Infatti, la possibilità di ottenere informazioni del legame dei farmaci in via di sviluppo alle diverse albumine, permetterebbe un migliore paragone tra i dati ottenuti tramite esperimenti in vitro e i dati ottenuti con esperimenti sull’animale, facilitando la successiva estrapolazione all’uomo, con la velocità di un metodo HTS. Inoltre, verrebbe ridotto anche il numero di animali utilizzati nelle sperimentazioni. Alcuni lavori presenti in letteratura dimostrano l’affidabilita di colonne funzionalizzate con albumine di diversa origine [11-13]: l’utilizzo di colonne più corte potrebbe aumentarne le applicazioni.

Fiber beam-columns models with flexure-shear interaction for nonlinear analysis of reinforced concrete structures

The aim of this study was to develop a model capable to capture the different contributions which characterize the nonlinear behaviour of reinforced concrete structures. In particular, especially for non slender structures, the contribution to the nonlinear deformation due to bending may be not sufficient to determine the structural response. Two different models characterized by a fibre beam-column element are here proposed. These models can reproduce the flexure-shear interaction in the nonlinear range, with the purpose to improve the analysis in shear-critical structures. The first element discussed is based on flexibility formulation which is associated with the Modified Compression Field Theory as material constitutive law. The other model described in this thesis is based on a three-field variational formulation which is associated with a 3D generalized plastic-damage model as constitutive relationship. The first model proposed in this thesis was developed trying to combine a fibre beamcolumn element based on the flexibility formulation with the MCFT theory as constitutive relationship. The flexibility formulation, in fact, seems to be particularly effective for analysis in the nonlinear field. Just the coupling between the fibre element to model the structure and the shear panel to model the individual fibres allows to describe the nonlinear response associated to flexure and shear, and especially their interaction in the nonlinear field. The model was implemented in an original matlab® computer code, for describing the response of generic structures. The simulations carried out allowed to verify the field of working of the model. Comparisons with available experimental results related to reinforced concrete shears wall were performed in order to validate the model. These results are characterized by the peculiarity of distinguishing the different contributions due to flexure and shear separately. The presented simulations were carried out, in particular, for monotonic loading. The model was tested also through numerical comparisons with other computer programs. Finally it was applied for performing a numerical study on the influence of the nonlinear shear response for non slender reinforced concrete (RC) members. Another approach to the problem has been studied during a period of research at the University of California Berkeley. The beam formulation follows the assumptions of the Timoshenko shear beam theory for the displacement field, and uses a three-field variational formulation in the derivation of the element response. A generalized plasticity model is implemented for structural steel and a 3D plastic-damage model is used for the simulation of concrete. The transverse normal stress is used to satisfy the transverse equilibrium equations of at each control section, this criterion is also used for the condensation of degrees of freedom from the 3D constitutive material to a beam element. In this thesis is presented the beam formulation and the constitutive relationships, different analysis and comparisons are still carrying out between the two model presented.

Comparison of affinity chromatography supports for separation of protein

Chromatography is the most widely used technique for high-resolution separation and analysis of proteins. This technique is very useful for the purification of delicate compounds, e.g. pharmaceuticals, because it is usually performed at milder conditions than separation processes typically used by chemical industry. This thesis focuses on affinity chromatography. Chromatographic processes are traditionally performed using columns packed with porous resin. However, these supports have several limitations, including the dependence on intra-particle diffusion, a slow mass transfer mechanism, for the transport of solute molecules to the binding sites within the pores and high pressure drop through the packed bed. These limitations can be overcome by using chromatographic supports like membranes or monoliths. Dye-ligands are considered important alternatives to natural ligands. Several reactive dyes, particularly Cibacron Blue F3GA, are used as affinity ligand for protein purification. Cibacron Blue F3GA is a triazine dye that interacts specifically and reversibly with albumin. The aim of this study is to prepare dye-affinity membranes and monoliths for efficient removal of albumin and to compare the three different affinity supports: membranes and monoliths and a commercial column HiTrapTM Blue HP, produced by GE Healthcare. A comparison among the three supports was performed in terms of binding capacity at saturation (DBC100%) and dynamic binding capacity at 10% breakthrough (DBC10%) using solutions of pure BSA. The results obtained show that the CB-RC membranes and CB-Epoxy monoliths can be compared to commercial support, column HiTrapTM Blue HP, for the separation of albumin. These results encourage a further characterization of the new supports examined.