Surface-enhanced vibrational techniques for the detection of synthetic organic colorants

The research project object of this thesis is focused on the development of an advanced analytical system based on the combination of an improved thin layer chromatography (TLC) plate coupled with infrared (FTIR) and Raman microscopies for the detection of synthetic dyes. Indeed, the characterization of organic colorants, which are commonly present in mixtures with other components and in a very limited amount, still represents a challenging task in scientific analyses of cultural heritage materials. The approach provides selective spectral fingerprints for each compound, foreseeing the complementary information obtained by micro ATR-RAIRS-FTIR and SERS-Raman analyses, which can be performed on the same separated spot. In particular, silver iodide (AgI) applied on a gold coated slide is proposed as an efficient stationary phase for the discrimination of complex analyte mixtures, such as dyes present in samples of art-historical interest. The gold-AgI-TLC plate shows high performances related both to the chromatographic separation of analytes and to the spectroscopic detection of components. The use of a mid-IR transparent inorganic salt as the stationary phase avoids interferences of the background absorption in FTIR investigations. Moreover, by ATR microscopy measurements performed on the gold-AgI surface, a considerable enhancement in the intensity of spectra is observed. Complementary information can be obtained by Raman analyses, foreseeing a SERS activity of the AgI substrate. The method has been tested for the characterization of a mixture of three synthetic organic colorants widely used in dyeing processes: Brilliant Green (BG1), Rhodamine B (BV10) and Methylene Blue (BB9).

Thermal structure and dynamical modeling of a Mediterranean tropical-like cyclone

In the present work, a detailed analysis of a Mediterranean TLC occurred in January 2014 has been conducted. The author is not aware of other studies regarding this particular event at the publication of this thesis. In order to outline the cyclone evolution, observational data, including weather-stations data, satellite data, radar data and photographic evidence, were collected at first. After having identified the cyclone path and its general features, the GLOBO, BOLAM and MOLOCH NWP models, developed at ISAC-CNR (Bologna), were used to simulate the phenomenon. Particular attention was paid on the Mediterranean phase as well as on the Atlantic phase, since the cyclone showed a well defined precursor up to 3 days before the minimum formation in the Alboran Sea. The Mediterranean phase has been studied using different combinations of GLOBO, BOLAM and MOLOCH models, so as to evaluate the best model chain to simulate this kind of phenomena. The BOLAM and MOLOCH models showed the best performance, by adjusting the path erroneously deviated in the National Centre for Environmental Prediction (NCEP) and ECMWF operational models. The analysis of the cyclone thermal phase shown the presence of a deep-warm core structure in many cases, thus confirming the tropical-like nature of the system. Furthermore, the results showed high sensitivity to initial conditions in the whole lifetime of the cyclone, while the Sea Surface Temperature (SST) modification leads only to small changes in the Adriatic phase. The Atlantic phase has been studied using GLOBO and BOLAM model and with the aid of the same methodology already developed. After tracing the precursor, in the form of a low-pressure system, from the American East Coast to Spain, the thermal phase analysis was conducted. The parameters obtained showed evidence of a deep-cold core asymmetric structure during the whole Atlantic phase, while the first contact with the Mediterranean Sea caused a sudden transition to a shallow-warm core structure. The examination of Potential Vorticity (PV) 3-dimensional structure revealed the presence of a PV streamer that individually formed over Greenland and eventually interacted with the low-pressure system over the Spanish coast, favouring the first phase of the cyclone baroclinic intensification. Finally, the development of an automated system that tracks and studies the thermal phase of Mediterranean cyclones has been encouraged. This could lead to the forecast of potential tropical transition, against with a minimum computational investment.

Moisture and potential vorticity in medicanes: theoretical approach and case studies

Da poco più di 30 anni la comunità scientifica è a conoscenza dell’occasionale presenza di strutture cicloniche con alcune caratteristiche tropicali sul Mar Mediterraneo, i cosiddetti medicane. A differenza dei cicloni baroclini delle medie latitudini, essi posseggono una spiccata simmetria termica centrale che si estende per gran parte della troposfera, un occhio, talvolta privo di nubi, e una struttura nuvolosa a bande spiraleggianti. Ad oggi non esiste ancora una teoria completa che spieghi la loro formazione ed evoluzione. La trattazione di questa tesi, incentrata sull’analisi dei campi di vorticità potenziale e di umidità relativa, è sviluppata nell’ottica di una miglior comprensione delle dinamiche alla mesoscala più rilevanti per la nascita dei medicane. Lo sviluppo di tecniche avanzate di visualizzazione dei campi generati dal modello WRF, quali l’animazione tridimensionale delle masse d’aria aventi determinate caratteristiche, ha permesso l’individuazione di due zone di forti anomalie di due campi derivati dalla vorticità potenziale in avvicinamento reciproco, intensificazione e mutua interazione nelle ore precedenti la formazione dei medicane. Tramite la prima anomalia che è stata chiamata vorticità potenziale secca (DPV), viene proposta una nuova definizione di tropopausa dinamica, che non presenta i problemi riscontrati nella definizione classica. La seconda anomalia, chiamata vorticità potenziale umida (WPV), individua le aree di forte convezione e permette di avere una visione dinamica dello sviluppo dei medicane alle quote medio-basse. La creazione di pseudo immagini di vapore acqueo tramite la teoria del trasferimento radiativo e la comparazione di queste mappe con quelle effettivamente misurate nei canali nella banda del vapore acqueo dai sensori MVIRI e SEVIRI dei satelliti Meteosat hanno da un lato confermato l’analisi modellistica, dall’altro consentito di stimare gli errori spazio-temporali delle simulazioni. L’utilizzo dei dati di radianza nelle microonde, acquisiti dai sensori AMSU-B e MHS dei satelliti NOAA, ha aggiunto ulteriori informazioni sia sulle intrusioni di vorticità potenziale che sulla struttura degli elementi convettivi presenti sul dominio, in modo particolare sulla presenza di ghiaccio in nube. L’analisi dettagliata di tre casi di medicane avvenuti nel passato sul Mar Mediterraneo ha infine consentito di combinare gli elementi innovativi sviluppati in questo lavoro, apportando nuove basi teoriche e proponendo nuovi metodi di indagine non solo per lo studio di questi fenomeni ma anche per un’accurata ricerca scientifica su ciclogenesi di altro tipo.

Elaborazione del linguaggio naturale nell'IA e tecnologie moderne: Sentiment Analysis come caso di studio.

L'informatica e le sue tecnologie nella società moderna si riassumono spesso in un assioma fuorviante: essa, infatti, è comunemente legata al concetto che ciò che le tecnologie ci offrono può essere accessibile da tutti e sfruttato, all'interno della propria quotidianità, in modi più o meno semplici. Anche se quello appena descritto è un obiettivo fondamentale del mondo high-tech, occorre chiarire subito una questione: l'informatica non è semplicemente tutto ciò che le tecnologie ci offrono, perchè questo pensiero sommario fa presagire ad un'informatica "generalizzante"; l'informatica invece si divide tra molteplici ambiti, toccando diversi mondi inter-disciplinari. L'importanza di queste tecnologie nella società moderna deve spingerci a porre domande, riflessioni sul perchè l'informatica, in tutte le sue sfaccettature, negli ultimi decenni, ha portato una vera e propria rivoluzione nelle nostre vite, nelle nostre abitudini, e non di meno importanza, nel nostro contesto lavorativo e aziendale, e non ha alcuna intenzione (per fortuna) di fermare le proprie possibilità di sviluppo. In questo trattato ci occuperemo di definire una particolare tecnica moderna relativa a una parte di quel mondo complesso che viene definito come "Intelligenza Artificiale". L'intelligenza Artificiale (IA) è una scienza che si è sviluppata proprio con il progresso tecnologico e dei suoi potenti strumenti, che non sono solo informatici, ma soprattutto teorico-matematici (probabilistici) e anche inerenti l'ambito Elettronico-TLC (basti pensare alla Robotica): ecco l'interdisciplinarità. Concetto che è fondamentale per poi affrontare il nocciolo del percorso presentato nel secondo capitolo del documento proposto: i due approcci possibili, semantico e probabilistico, verso l'elaborazione del linguaggio naturale(NLP), branca fondamentale di IA. Per quanto darò un buono spazio nella tesi a come le tecniche di NLP semantiche e statistiche si siano sviluppate nel tempo, verrà prestata attenzione soprattutto ai concetti fondamentali di questi ambiti, perché, come già detto sopra, anche se è fondamentale farsi delle basi e conoscere l'evoluzione di queste tecnologie nel tempo, l'obiettivo è quello a un certo punto di staccarsi e studiare il livello tecnologico moderno inerenti a questo mondo, con uno sguardo anche al domani: in questo caso, la Sentiment Analysis (capitolo 3). Sentiment Analysis (SA) è una tecnica di NLP che si sta definendo proprio ai giorni nostri, tecnica che si è sviluppata soprattutto in relazione all'esplosione del fenomeno Social Network, che viviamo e "tocchiamo" costantemente. L'approfondimento centrale della tesi verterà sulla presentazione di alcuni esempi moderni e modelli di SA che riguardano entrambi gli approcci (statistico e semantico), con particolare attenzione a modelli di SA che sono stati proposti per Twitter in questi ultimi anni, valutando quali sono gli scenari che propone questa tecnica moderna, e a quali conseguenze contestuali (e non) potrebbe portare questa particolare tecnica.

Analisi modellistica di un intenso ciclone di tipo tropicale nel Mediterraneo (7-8 novembre 2014): predicibilità, caratteristiche termodinamiche e confronto con osservazioni da satellite

Il lavoro di tesi riguarda lo studio dettagliato di un ciclone di tipo tropicale (tropical like cyclone, TLC) verificatosi nel Canale di Sicilia nel novembre 2014, realizzato attraverso un'analisi modellistica effettuata con i modelli BOLAM e MOLOCH (sviluppati presso il CNR-ISAC di Bologna) e il confronto con osservazioni. Nel primo capitolo è fornita una descrizione generale dei cicloni tropicali e dei TLC, indicando come la formazione di questi ultimi sia spesso il risultato dell'evoluzione di cicloni extratropicali baroclini nel Mediterraneo; sono identificate le aree geografiche con i periodi dell'anno maggiormente soggetti all'influenza di questi fenomeni, riportando un elenco dei principali TLC verificatisi nel Mediterraneo negli utlimi tre decenni e lo stato dell'arte sullo studio di questi eventi. Nel secondo capitolo sono descritte le modalità di implementazione delle simulazioni effettuate per il caso di studio e presentati i principali prodotti dell'analisi modellistica e osservazioni da satellite. Il terzo capitolo si apre con la descrizione della situazione sinottica e l'analisi osservativa con immagini Meteosat e rilevazioni radar che hanno permesso di ricostruire la traiettoria osservata del TLC. In seguito, viene dapprima fornito l'elenco completo delle simulazioni numeriche, quindi sono presentati alcuni dei più importanti risultati ottenuti, dai quali emerge che la previsione della traiettoria e intensità del TLC differisce notevolmente dalle osservazioni. Tenendo conto della bassa predicibilità che ha caratterizzato l'evento, nel quarto capitolo è descritto il metodo usato per ricostruire in maniera ottimale la traiettoria, utilizzando spezzoni da varie simulazioni, che ha permesso un confronto più realistico con i dati osservati e un'analisi dei processi fisici. Nel quinto capitolo sono riportati i principali risultati di alcuni test mirati a valutare l'impatto di aspetti legati all'implementazione delle simulazioni e ad altre forzanti fisiche.

PEDOT:PSS thin films: Applications in Bioelectronics

Owing to their capability of merging the properties of metals and conventional polymers, Conducting Polymers (CPs) are a unique class of carbon-based materials capable of conducting electrical current. A conjugated backbone is the hallmark of CPs, which can readily undergo reversible doping to different extents, thus achieving a wide range of electrical conductivities, while maintaining mechanical flexibility, transparency and high thermal stability. Thanks to these inherent versatility and attracting properties, from their discovery CPs have experienced incessant widespread in a great plethora of research fields, ranging from energy storage to healthcare, also encouraging the spring and growth of new scientific areas with highly innovative content. Nowadays, Bioelectronics stands out as one of the most promising research fields, dealing with the mutual interplay between biology and electronics. Among CPs, the polyelectrolyte complex poly (3,4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate) (PEDOT:PSS), especially in the form of thin films, has been emphasized as ideal platform for bioelectronic applications. Indeed, in the last two decades PEDOT:PSS has played a key role in the sensing of bioanalytes and living cells interfacing and monitoring. In the present work, development and characterization of two kinds of PEDOT:PSS-based devices for applications in Bioelectronics are discussed in detail. In particular, a low-cost amperometric sensor for the selective detection of Dopamine in a ternary mixture was optimized, taking advantage of the electrocatalytic and antifouling properties that render PEDOT:PSS thin films appealing tools for electrochemical sensing of bioanalytes. Moreover, the potentialities of this material to interact with live cells were explored through the fabrication of a microfluidic trapping device for electrical monitoring of 3D spheroids using an impedance-based approach.

Radar FMCW per la rilevazione di ostacoli in movimento

Lo scopo di questa attività di tesi è quello di rilevare dinamicamente la posizione di ostacoli mediante radar FMCW. I radar a onda continua modulati in frequenza sono alla base dei moderni sensori in ambito automotive, in quanto consentono allo stesso tempo di rilevare la distanza, l’angolazione e la velocità di un corpo detto target analizzando gli scostamenti temporali e in frequenza tra i segnali (detti chirp) trasmessi e quelli riflessi dai corpi. Nel lavoro di tesi si analizza sperimentalmente come il radar a onda continua MIMO (multiple input multiple output) RBK2, presente presso il laboratorio TLC del Campus di Cesena, può essere utilizzato per ricavare la velocità relativa di un target, che si avvicina o si allontana dal radar. Innanzitutto, vengono settati i parametri per l’acquisizione e per il processing necessario per ottenere una matrice Angolo-Range che caratterizza staticamente il target. Il mixer interno al radar, a seguito della ricezione di un segnale di eco, produce un segnale a frequenza intermedia il cui spettro presenta un picco in corrispondenza della distanza del target che lo ha riflesso. A questo punto si conosce la posizione del corpo e si procede con la stima della velocità sfruttando l’effetto Doppler: analizzando i chirp riflessi dallo stesso target in istanti successivi si ottengono una serie di picchi nella stessa posizione ma con fasi differenti, e da tale sfasamento si ricava la componente radiale della velocità del target. Sono stati studiati sia il caso di misure outdoor che quello di misure indoor, infine è stato elaborato un codice Matlab in grado di fornire un feedback riguardante una possibile collisione in seguito alla stima della velocità del corpo. Tale tecnologia gioca quindi un ruolo fondamentale nell’ambito della sicurezza stradale potendo prevenire incidenti.