Sviluppo di un sensore elettrochimico modificato per la determinazione quantitativa di ammoniaca in fase gassosa

Oggigiorno, a causa dell’aumento delle emissioni gassose di ammoniaca, occorre far fronte alla necessità di salvaguardare l’ambiente e la salute degli esseri viventi. A tale scopo, stanno acquisendo sempre più interesse dispositivi portatili che forniscano quantificazioni accurate. Grazie alle interessanti prestazioni esibite dai transistor elettrochimici organici (OECTs) a base di PEDOT:PSS, per la quantificazione di analiti in ambiente acquoso, nasce l’idea di realizzare un sensore elettrochimico ad essi ispirato e in grado di effettuare determinazioni in fase gas. Si vuole realizzare una tipologia di sensore a due terminali che unisca l’elettronica di lettura semplificata, l’amplificazione del segnale e il basso apporto di energia necessario garantito dagli OECTs, ad una geometria adeguata anche per applicazioni non convenzionali. Tale dispositivo viene modificato tramite elettrodeposizione di particelle di IrO2 per rendere il canale polimerico sensibile alle variazioni di pH e sottoposto a dip coating in un idrogel semi-solido per garantire la presenza di un’interfaccia efficace tra il materiale sensibile e l’aria circostante in cui si vuole quantificare ammoniaca. Questo lavoro di tesi ha comportato una prima fase di progettazione del sensore, dove vengono valutati i parametri di deposizione e caratterizzazione delle particelle sintetizzate e del materiale composito finale, la corretta formulazione del substrato gel per un’interfaccia solido-gas efficace ed una seconda, dove l’attenzione è invece volta all’ottimizzazione della risposta elettrochimica e delle prestazioni del sensore, con particolare riguardo verso ripetibilità, riproducibilità delle misure, tempo di risposta e limite di rivelabilità. Al termine del lavoro si raggiunge l’ottimizzazione di un sensore elettrochimico a due terminali per la quantificazione di ammoniaca gassosa che, grazie alla sua geometria, si presta anche ad applicazioni wearable nel campo dei materiali intelligenti.

Charge accumulation and transport in degenerately doped semiconducting polymers with mixed ionic and electronic conductivity

This thesis is part of the fields of Material Physics and Organic Electronics and aims to determine the charge carrier density and mobility in the hydrated conducting polymer–polyelectrolyte blend PEDOT:PSS. This kind of material combines electronic semiconductor functionality with selective ionic transport, biocompatibility and electrochemical stability in water. This advantageous material properties combination makes PEDOT:PSS a unique material to build organic electrochemical transistors (OECTs), which have relevant application as amplifying transducers for bioelectronic signals. In order to measure charge carrier density and mobility, an innovative 4-wire, contact independent characterization technique was introduced, the electrolyte-gated van der Pauw (EgVDP) method, which was combined with electrochemical impedance spectroscopy. The technique was applied to macroscopic thin film samples and micro-structured PEDOT:PSS thin film devices fabricated using photolithography. The EgVDP method revealed to be effective for the measurements of holes’ mobility in hydrated PEDOT:PSS thin films, which resulted to be <μ>=(0.67±0.02) cm^2/(V*s). By comparing this result with 2-point-probe measurements, we found that contact resistance effects led to a mobility overestimation in the latter. Ion accumulation at the drain contact creates a gate-dependent potential barrier and is discussed as a probable reason for the overestimation in 2-point-probe measurements. The measured charge transport properties of PEDOT:PSS were analyzed in the framework of an extended drift-diffusion model. The extended model fits well also to the non-linear response in the transport characterization and results suggest a Gaussian DOS for PEDOT:PSS. The PEDOT:PSS-electrolyte interface capacitance resulted to be voltage-independent, confirming the hypothesis of its morphological origin, related to the separation between the electronic (PEDOT) and ionic (PSS) phases in the blend.

Intercalazione di grafene ossido in idrossidi doppi a strato per lo sviluppo di capacitori ibridi

In questo lavoro, sono state valutate le prestazioni di quattro tipi di LDH (Co/Al e Co/Fe entrambe con e senza GO nella soluzione di elettrodeposizione) per l'applicazione in stoccaggio di energia, andando a confrontare le capacità specifiche calcolate da voltammetrie cicliche e curve galvanostatiche di carica/scarica. I risultati di tali analisi hanno mostrato come l’LDH a base di Al sia più adatto all’applicazione di accumulo di energia, rispetto a quello con il Fe. Ulteriori caratterizzazioni, come l’XRD ed il SEM accoppiato con l'EDX, hanno confermato la maggior applicabilità dei LDH di Co/Al rispetto a quelli di Co/Fe, in quanto i primi presentano: una struttura più cristallina, una morfologia più uniforme ed un’intercalazione dell’ERGO migliore. Dopo la fase di scelta dell’LDH più performante ci si è dedicati alla caratterizzazione di un capacitore ibrido operante in fase liquida. Concluse le analisi, si è notato come l’ERGO porti all'aumento delle prestazioni del sistema (risultato in linea con quello riscontrato tramite lo studio degli LDH come componenti catodici singoli). Grazie allo studio delle performance a lungo termine è stato possibile verificare come l’ERGO aumenti la stabilità del sistema quando si sottopone quest’ultimo a stress protratto nel tempo. Successivamente, si è proseguito con lo studio di un capacitore ibrido operante in fase solida. Come nel caso del sistema in fase liquida, si è riscontrato un aumento di performance dovuto alla presenza di ERGO nella struttura finale degli LDH.

Sviluppo di sensori indossabili per il monitoraggio di essudato di ferite

I sensori indossabili rappresentano una frontiera della ricerca scientifica e, allo stesso tempo, a livello commerciale sono un nuovo mercato emergente. La possibilità di studiare diversi parametri fisiologici con dispositivi versatili e di dimensioni ridotte è importante per raggiungere una comprensione più profonda dei diversi fenomeni che avvengono nel nostro corpo. In maniera simile, la composizione dell’essudato di una ferita è finemente legata all’evoluzione del processo di guarigione, che comporta diversi meccanismi di rigenerazione del tessuto connettivo e dell’epitelio. Grazie ai dispositivi indossabili, si apre la possibilità di monitorare i componenti chiave di questi processi. I wearable devices costituiscono quindi sia uno strumento diagnostico, che uno strumento clinico per l’identificazione e la valutazione di strategie terapeutiche più efficienti. Il mio lavoro di tirocinio si è incentrato sulla fabbricazione, caratterizzazione e sperimentazione delle performance di transistor elettrochimici a base organica (OECT) tessili per la misurazione dei livelli di pH ed acido urico. L’obbiettivo del gruppo di ricerca è quello di realizzare un cerotto intelligente che abbia due diversi elementi sensibili, uno per l’acido urico e l’altro per la concentrazione idrogenionica. Per il raggiungimento di tale scopo, si è sfruttato uno dei semiconduttori organici più utilizzati e studiati nell’ultimo periodo, il PEDOT, ovvero il poli(3,4-etilen-diossi-tiofene), che risulta anche uno dei materiali principalmente impiegati nella ricerca sui sensori tessili.

Studio di parametri fondamentali di transistor elettrochimici organici microfabbricati

Questo elaborato tratta il ruolo dei transistor elettrochimici microfabbricati (OECTs) nel campo della Bioelettronica. Nello specifico, il focus della tesi ruota attorno alla categoria di OECTs basati su poli(3,4-etilenediossitiofene)(PEDOT) con drogaggio a base di poli(3,4-etilenediossitiofene)(PSS) a dare il PEDOT:PSS. Nella struttura del seguente elaborato, il primo capitolo è dedicato all’introduzione dei polimeri conduttori organici; materiali che hanno suscitato interesse grazie alle loro proprietà conduttive coniugate a un’alta stabilità, costi di produzione convenienti e alta riproducibilità; infine la biocompatibilità e le proprietà di trasduzione di informazioni attinenti al campo della biologia in segnale elettronico li ha resi lo strumento di maggior interesse nel campo della bioelettronica. Particolare focus è posto sulla categoria degli OECTs basati su PEDOT:PSS, sulle loro caratteristiche, la modellizzazione ed il ruolo del polimero d’interesse. Ciò è trattato nel secondo capitolo assieme ai regimi di funzionamento di questi dispositivi. Nel seguito si sono riportate le procedure seguite per la realizzazione dei dispositivi studiati: dalla preparazione del substrato ai processi litografici mirati alla creazione di un pattern per il circuito, fino alla deposizione per spin-coating del polimero in soluzione. Si sono descritti e chiariti il ruolo degli elementi del dispositivo, quali elettrodi ed elettrolita nella conducibilità del canale. Si è proceduto a descrive il set up strumentale e la strumentazione. Nell’ultimo capitolo si descrivono le misure sperimentali svolte e si commentano i risultati. Le misure svolte sul dispositivo constano innanzitutto della caratterizzazione dello stesso, previa analisi a vari voltaggi forniti sul gate e per varie geometrie del canale.

Development of an impedance based biosensor for studies of spheroids formation

Three-dimensional (3D) multicellular spheroids are exceptional in vitro cell models for their ability to accurately mimic real cell-cell interaction processes. However, the challenges in producing well-defined spheroids with controlled size together with the deficiency of techniques to monitor them significantly restrict their use. Herein, a novel device to study spheroid formation in real time is presented. By exploiting electrochemical impedance spectroscopy, a multi-electrode array (MEA) attached to a calcium alginate scaffold is able to monitor the behaviour of 36 different hydrogel wells. The scaffold contains inverted shape pyramidal microwells, which guide the aggregation of cells into spheroids with controlled dimensions. Preliminar studies on calcium alginate, optimisation of fabrication strategy are shown, together with testing of the device in the presence and the absence of the hydrogel. Lastly, the device was tested for its intended aim, i.e. to monitor the formation of a spheroid, proving its potential as an impedance biosensor.

Development of wearable electrochemical sensors for the determination of biological analytes

Wearable biosensors are attracting interest due to their potential to provide continuous, real-time physiological information via dynamic, non-invasive measurements of biochemical markers in biofluids, such as interstitial fluid (ISF). One notable example of their applications is for glycemic monitoring in diabetic patients, which is typically carried out either by direct measurement of blood glucose via finger pricking or by wearable sensors that can continuously monitor glucose in ISF by sampling it from below the skin with a microneedle. In this context, the development of a new and minimally invasive multisensing tattoo-based platform for the monitoring of glucose and other analytes in ISF extracted through reverse iontophoresis in proposed by the GLUCOMFORT project. This elaborate describes the in-vitro development of flexible electrochemical sensors based on inkjet-printed PEDOT:PSS and metal inks that are capable of determining glucose and chloride at biologically relevant concentrations, making them good candidates for application in the GLUCOMFORT platform. In order to make PEDOT:PSS sensitive to glucose at micromolar concentrations, a biocompatible functionalization based on immobilized glucose oxidase and electrodeposited platinum was developed. This functionalization was successfully applied to bulk and flexible amperometric devices, the design of which was also optimized. Using the same strategy, flexible organic electrochemical transistors (OECTs) for glucose sensing were also made and successfully tested. For the sensing of chloride ions, an organic charge-modulated field-effect transistor (OCMFET) featuring a silver/silver chloride modified floating gate electrode was developed and tested.

Synthesis of Na-PSS geopolymers and analysis of the H2O/Na2O molar ratio influence over their mechanical properties

Geopolymers are solid aluminosilicate material made by mixing an activating solution and a solid precursor. This work studied the mechanisms of synthesis of metakaolin-based geopolymers and the influence of water content, described by the molar ratio H2O/Na2O, on the final product. The samples were tested using a Uniaxial Compressive Test (UCT) to define their compressive resistance. Two geopolymers series were synthetized and let them rest for 7- days and 28-days, each of them composed by six different sets. 7-day rest series showed that water addition had no relevant effect over its resistance while the 28-day rest series almost doubled the compressive resistance, although those with the highest H2O/Na2O molar ratio showed instead a drastic reduction. Two other series were synthesized by adding silt aggregate, a waste material obtained in the production of aggregate for concrete, corresponding to 10wt% and 20wt%of the metakaolin used. After 28 days of aging, these samples were tested via UCT to measure the variation of the compressive resistance after the silt addition. The aggregate has disruptive effects over the compressive resistance, but the 20wt% samples achieved a higher compressive resistance. Samples with highest and lowest compressive resistance have been chosen to carry out an XRD analysis. In all the samples it has been recognized the presence of Anatase (TiO2), a titanium oxide found in the metakaolin and Thermonatrite, a hydrated sodium carbonate [Na2CO3 • (H2O)]. Scanning Electron Microscopy was carried out on the samples with the highest compressive resistance and showed that the samples with lower water content developed a homogeneous geopolymeric texture, while those with higher water content showed instead a spongy-like texture and a higher air or pore solution bubbles presence. Silt/geopolymer composites showed a fracture system developing across the interstitial transition zone between the geopolymer matrix and the aggregate particle.

Deposizione elettrochimica di film polimerici foto-attivi per la realizzazione di celle solari

Plastic solar cells bear the potential for large-scale power generation based on flexible, lightweight, inexpensive materials. Since the discovery of the photo-induced electron transfer from a conjugated polymer (electron-donor) to fullerene or its derivatives molecules (electron-acceptors), followed by the introduction of the bulk heterojunction concept which means donors and acceptors blended together to realize the fotoactive layer, materials and deposition techniques have been extensively studied. In this work, electrochemical-deposition methods of polymeric conductive films were studied in order to realize bulk heterojunction solar cells. Indium Tin Oxide (ITO) glass electrodes modified with a thin layer of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) were electrochemically prepared under potentiodynamic and potentiostatic conditions; then those techniques were applied for the electrochemical co-deposition of donor and acceptor on modified ITO electrode to produce the active layer (blend). For the deposition of the electron-donor polymer the electropolymerization of many functionalized thiophene monomers was investigated while, as regards acceptors, fullerene was used first, then the study was focused on its derivative PCBM ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester). The polymeric films obtained (PEDOT and blend) were electrochemically and spectrophotometrically characterized and the film thicknesses were evaluated by atomic force microscopy (AFM). Finally, to check the performances and the efficiency of the realized solar cells, tests were carried out under standard conditions. Nowadays bulk heterojunction solar cells are still poorly efficient to be competitively commercialized. A challenge will be to find new materials and better deposition techniques in order to obtain better performances. The research has led to several breakthroughs in efficiency, with a power conversion efficiency approaching 5 %. The efficiency of the solar cells produced in this work is even lower (lower than 1 %). Despite all, solar cells of this type are interesting and may represent a cheaper and easier alternative to traditional silicon-based solar panels.

Transistor elettrochimici organici per biosensoristica

I transistor elettrochimici a base organica (OECT) hanno attratto sempre maggior interesse e sono oggetto di molti studi dagli anni '70 no ai nostri giorni. Questo lavoro di tesi ha come oggetto la realizzazione e la caratterizzazione di OECT a base di poli(3,4-etilen-diossi-tiofene) complessato con l'acido stirensolfonico (PSS). Questi dispositivi sono stati costruiti utilizzando solamente semiconduttori organici come materiali conduttivi ovvero senza l'uso di metalli, quindi risultano essere biocompatibili, economici e di semplice realizzazione. Questo tipo di sensori presenta un elevata sensibilità agli analiti e necessita di un'elettronica di controllo molto più semplice rispetto a metodi elettrochimici tradizionali che utilizzano un potenziostato ed un elettrodo di riferimento. Sono state studiate diverse geometrie e spessori di polimero depositato per ottimizzare le condizioni di lavoro per avere alta sensibilità e guadagno in corrente attraverso l'uso di misure di corrente di drain in funzione del tempo con aggiunte successive di analita. Questi dispositivi sono stati utilizzati come sensori di analiti quali la dopamina, l'acido ascorbico e l'acido urico. Attraverso scansioni in transcaratteristica, si è studiata la risposta dei transistor relativa agli analiti ed attraverso lo studio della transconduttanza si è ottenuta una nuova metodologia di lavoro in grado di separare i contributi relativi ai vari composti. Inoltre, in questa modalità, è stato possibile ottenere una selettività dei sensori ai vari analiti, problema principale dell'utilizzo di transistor elettrochimici, ed attraverso la modulazione della velocità di scansione dello strumento, è stata ottenuta una risposta alla sola dopamina, analita di maggior interesse per applicazioni biosensoristiche. In conclusione si può affermare che questo tipo di dispositivo possiede ottime proprietà e caratteristiche per ulteriori studi e sviluppi in applicazioni reali.

Sintesi e Caratterizzazione di Elettrodi Modificati Chimicamente con nuovi complessi Carbenici del Ferro

The Chemically Modified Electrodes (CME) are widely used in electroanalytical chemistry as chemical sensors. The interest in the covalent anchoring of a redox mediator on the electrode surface is increasing, because it allows the sensibility and the selectivity of this kind of systems to improve. My work is situated in this field of research and involves the synthesis of new Iron(0) complexes that contain cyclopentadienone, N-heterocyclic carbene (NHC) and carbonyl ancillary ligands. These complexes have shown electrochemical properties similar to those of ferrocene (organometallic compound widely used as electrochemical sensor). These complexes have been properly functionalized with a EDOT group in the NHC ligand side chain that it was after used for the realization of Electrochemically Modified PEDOT thanks to copolymerization reaction between the functionalized complex and the EDOT in different amounts. All the synthetic steps were assisted by suitable characterizations (NMR, IR, ESI-MS, cyclic voltammetry and X-ray for the monomeric compound as imidazolium salt and NHC functionalized complexes; cyclic voltammetry, IR e SEM for the copolymers). The properties of the polymer as a selective sensor was preliminarily investigated for dopamine and 2-propanol.

Sviluppo di biosensori reagentless basati sull'enzima fosfatasi alcalina

Negli ultimi anni i biosensori enzimatici sono diventati sempre più popolari nel campo delle determinazioni rapide di analiti di interesse industriale ed ambientale. L’utilizzo di tali biosensori consente di evitare, o comunque limitare, l’impiego di metodi analitici basati su tecniche più complesse e dispendiose in termini economici e temporali. Un grande obbiettivo della ricerca negli ultimi anni è quello di costruire biosensori reagentless, ossia dispositivi pronti all’uso da parte degli analisti, indipendentemente dalla loro esperienza. In questo lavoro di tesi sono stati sviluppati dei biosensori amperometrici reagentless che sfruttano l’enzima fosfatasi alcalina (ALP), come elemento di riconoscimento biologico, ed un elettrodo screen-printed (SPE) commerciale, come trasduttore. Per gli elettrodi SPE commerciali sono stati testati modificanti a base di nanomateriali carboniosi e del polimero conduttore PEDOT:ClO4. Sono inoltre stati messi a punto diversi biosensori costruiti utilizzando sia l’enzima ALP immobilizzato che lo stesso enzima in soluzione. I test sono stati eseguiti utilizzando il substrato enzimatico “ascorbil-fosfato di sodio (AAP)” ed alcuni inibitori enzimatici. I dispositivi reagentless sono stati fabbricati mediante stampa 3D e sono stati realizzati appositamente per gli elettrodi SPE commerciali utilizzati. Tali dispositivi sono stati utilizzati per effettuare la determinazione dell’AAP in campo cosmetico e la determinazione dell’enzima ALP in campo alimentare.

Synthesis and coating of silver nanoparticles and their interaction with cells model

La mia tesi si concentra sulla sintesi e funzionalizzazione di nanoparticelle d’argento studiandone l’interazione, tramite esperimenti in vitro, con cellule sane di fibroblasti murini NIH-3T3 e cellule tumorali da nodulo al seno MCF7. L’utilizzo di polielettroliti quali PDADMAC, PAH e PSS ha permesso la modifica delle proprietà superficiali delle nanoparticelle. Le nuove proprietà chimico-fisiche sono state caratterizzate tramite Dynamic Light Scattering, potenziale zeta e spettroscopia UV-vis. L’effetto della ricopertura con polielettroliti è stato valutato tramite test di vitalità cellulare somministrando le nanoparticelle funzionalizzate alle cellule sopracitate. Successivamente, è stata ottimizzata la procedura per un’ulteriore ricopertura sulle nanoparticelle cariche con BSA (Bovine Serum Albumin) valutando diversi fattori chiave. Le nanoparticelle ricoperte di albumina sono state caratterizzate e la composizione qualitativa della loro protein corona è stata ottenuta tramite analisi SDS-PAGE. Infine, le nanoparticelle ricoperte di BSA sono state somministrate alle due linee cellulari valutando l’effetto dell’albumina sulla risposta biologica tramite analisi di vitalità cellulare e immunofluorescenza.