Volatile organic compounds at the air-sea interface : gas exchange rates, oceanic emissions and the effect of ocean acidification

Oceans are key sources and sinks in the global budgets of significant atmospheric trace gases, termed Volatile Organic Compounds (VOCs). Despite their low concentrations, these species have an important role in the atmosphere, influencing ozone photochemistry and aerosol physics. Surprisingly, little work has been done on assessing their emissions or transport mechanisms and rates between ocean and atmosphere, all of which are important when modelling the atmosphere accurately.rnA new Needle Trap Device (NTD) - GC-MS method was developed for the effective sampling and analysis of VOCs in seawater. Good repeatability (RSDs <16 %), linearity (R2 = 0.96 - 0.99) and limits of detection in the range of pM were obtained for DMS, isoprene, benzene, toluene, p-xylene, (+)-α-pinene and (-)-α-pinene. Laboratory evaluation and subsequent field application indicated that the proposed method can be used successfully in place of the more usually applied extraction techniques (P&T, SPME) to extend the suite of species typically measured in the ocean and improve detection limits. rnDuring a mesocosm CO2 enrichment study, DMS, isoprene and α-pinene were identified and quantified in seawater samples, using the above mentioned method. Based on correlations with available biological datasets, the effects of ocean acidification as well as possible ocean biological sources were investigated for all examined compounds. Future ocean's acidity was shown to decrease oceanic DMS production, possibly impact isoprene emissions but not affect the production of α-pinene. rnIn a separate activity, ocean - atmosphere interactions were simulated in a large scale wind-wave canal facility, in order to investigate the gas exchange process and its controlling mechanisms. Air-water exchange rates of 14 chemical species (of which 11 VOCs) spanning a wide range of solubility (dimensionless solubility, α = 0:4 to 5470) and diffusivity (Schmidt number in water, Scw = 594 to 1194) were obtained under various turbulent (wind speed at ten meters height, u10 = 0:8 to 15ms-1) and surfactant modulated (two different sized Triton X-100 layers) surface conditions. Reliable and reproducible total gas transfer velocities were obtained and the derived values and trends were comparable to previous investigations. Through this study, a much better and more comprehensive understanding of the gas exchange process was accomplished. The role of friction velocity, uw* and mean square slope, σs2 in defining phenomena such as waves and wave breaking, near surface turbulence, bubbles and surface films was recognized as very significant. uw* was determined as the ideal turbulent parameter while σs2 described best the related surface conditions. A combination of both uw* and σs2 variables, was found to reproduce faithfully the air-water gas exchange process. rnA Total Transfer Velocity (TTV) model provided by a compilation of 14 tracers and a combination of both uw* and σs2 parameters, is proposed for the first time. Through the proposed TTV parameterization, a new physical perspective is presented which provides an accurate TTV for any tracer within the examined solubility range. rnThe development of such a comprehensive air-sea gas exchange parameterization represents a highly useful tool for regional and global models, providing accurate total transfer velocity estimations for any tracer and any sea-surface status, simplifying the calculation process and eliminating inevitable calculation uncertainty connected with the selection or combination of different parameterizations.rnrn

IDCardOCR: Studio di tecniche di OCR per acquisire dati anagrafici mediante scanning di documenti di identità

Il progetto IDCardOCR si propone di investigare e realizzare le tecnologie per la messa in opera di un servizio avanzato di scanning di documenti di identità e acquisizione automatica dei dati anagrafici in formato strutturato tramite dispositivi mobili. In particolare si vuole realizzare una App Android in grado di: • Acquisire immagini di documenti di identità in diversi formati e rilevare tramite OCR i dati anagrafici. I dati dovranno poi essere salvati in formato strutturato. • Permettere la definizione di diversi template per l’acquisizione di documenti di tipo diverso (patenti, passaporti, IDCard straniere,… ) • Predisporre la possibilità di caricamento dei dati acquisiti su un server.

L'informazione di fase per la segmentazione volumetrica di dati ecocardiografici

L’imaging ad ultrasuoni è una tecnica di indagine utilizzata comunemente per molte applicazioni diagnostiche e terapeutiche. La tecnica ha numerosi vantaggi: non è invasiva, fornisce immagini in tempo reale e l’equipaggiamento necessario è facilmente trasportabile. Le immagini ottenute con questa tecnica hanno tuttavia basso rapporto segnale rumore a causa del basso contrasto e del rumore caratteristico delle immagini ad ultrasuoni, detto speckle noise. Una corretta segmentazione delle strutture anatomiche nelle immagini ad ultrasuoni è di fondamentale importanza in molte applicazioni mediche . Nella pratica clinica l’identificazione delle strutture anatomiche è in molti casi ancora ottenuta tramite tracciamento manuale dei contorni. Questo processo richiede molto tempo e produce risultati scarsamente riproducibili e legati all’esperienza del clinico che effettua l’operazione. In ambito cardiaco l’indagine ecocardiografica è alla base dello studio della morfologia e della funzione del miocardio. I sistemi ecocardiografici in grado di acquisire in tempo reale un dato volumetrico, da pochi anni disponibili per le applicazioni cliniche, hanno dimostrato la loro superiorità rispetto all’ecocardiografia bidimensionale e vengono considerati dalla comunità medica e scientifica, la tecnica di acquisizione che nel futuro prossimo sostituirà la risonanza magnetica cardiaca. Al fine di sfruttare appieno l’informazione volumetrica contenuta in questi dati, negli ultimi anni sono stati sviluppati numerosi metodi di segmentazione automatici o semiautomatici tesi alla valutazione della volumetria del ventricolo sinistro. La presente tesi descrive il progetto, lo sviluppo e la validazione di un metodo di segmentazione ventricolare quasi automatico 3D, ottenuto integrando la teoria dei modelli level-set e la teoria del segnale monogenico. Questo approccio permette di superare i limiti dovuti alla scarsa qualità delle immagini grazie alla sostituzione dell’informazione di intensità con l’informazione di fase, che contiene tutta l’informazione strutturale del segnale.

Elaborazione di un programma di acquisizioni dati e studio di fotomoltiplicatori al silicio per l'esperimento XENON

Le numerose osservazioni compiute a partire dagli anni `30 confermano che circa il 26% dell'Universo è costituito da materia oscura. Tale materia ha la particolarità di interagire solo gravitazionalmente e debolmente: essa si presenta massiva e neutra. Tra le numerose ipotesi avanzate riguardanti la natura della materia oscura una delle più accreditate è quella delle WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Il progetto all'avanguardia nella ricerca diretta delle WIMP è XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Tale esperimento è basato sulla diffusione elastica delle particelle ricercate su nuclei di Xeno: il rivelatore utilizzato è una TPC a doppia fase (liquido-gas). La rivelazione diretta di materia oscura prevede l'impiego di un rivelatore molto grande a causa della piccola probabilità di interazione e di ambienti a bassa radioattività naturale, per ridurre al minimo il rumore di fondo. Nell'ottica di migliorare la sensibilità del rivelatore diminuendo l'energia di soglia sono in fase di ricerca e sviluppo soluzioni alternative a quelle adottate attualmente. Una di tali soluzioni prevede l'utilizzo di fotorivelatori di tipo SiPM da affiancare ai normali PMT in uso. I fotorivelatori al silicio devono lavorare ad una temperatura di (circa 170 K) e devono rivelare fotoni di lunghezza d'onda di circa 175 nm. Il presente lavoro di tesi si colloca nell'ambito di tale progetto di ricerca e sviluppo. Lo scopo di tale lavoro è stato la scrittura di un programma DAQ in ambiente LabVIEW per acquisire dati per caratterizzare in aria fotorivelatori di tipo SiPM. In seguito con tale programma sono state effettuate misure preliminari di pedestallo da cui è stato possibile determinare l'andamento di guadagno e di dark rate al variare della tensione di alimentazione del SiPM. L'analisi dati è stata effettuata impiegando un programma scritto in C++ in grado di analizzare le forme d'onda acquisite dal programma LabVIEW.

Preparazione dei dati e generazione delle mappe di TC perfusionale nel cancro al polmone

L’introduzione della tomografia computerizzata nelle applicazioni oncologiche è stata rivoluzionaria per la diagnostica delle immagini di molti organi e apparati, superando i limiti della radiologia convenzionale. Questa tecnica rappresenta, infatti, un efficace strumento nella diagnosi e caratterizzazione di numerosi tumori, in quanto questo tipo di applicazione perfusionale amalgama informazioni di natura morfologica, tipiche della TC tradizionale, con studi funzionali sui tessuti in esame. Tuttavia, diversi problemi, tra cui la mancanza di un protocollo standard sia durante la fase di acquisizione dei dati, sia durante la fase di elaborazione dei dati, costituiscono un ostacolo per la trasposizione in clinica della TCp. In questo lavoro di Tesi si è trattato principalmente della modalità di analisi dei dati: ad oggi, infatti, non è ancora stato formulato un protocollo che stabilisca in modo univoco una tecnica di analisi delle mappe perfusionali risultanti dall’elaborazione delle immagini TCp. In particolare, si è tentato di affiancare ai classici metodi di analisi di immagini noti in letteratura un ulteriore tecnica che si basa sull’analisi voxel-by-voxel della regione d’interesse su più slice e non solo su quella di riferimento. Questo studio è stato fortemente motivato dall’elevato grado di eterogeneità che caratterizza molti tessuti neoplastici. A tal proposito, l’elaborato mira ad analizzare in modo qualitativo le mappe perfusionali di slice adiacenti a quella di riferimento e a verificare se queste possano restituire informazioni aggiuntive che risultino indispensabili ai fini della formulazione di una corretta diagnosi e scelta del piano terapeutico da applicare al paziente.

Produzione di 2-metilfurano da furfurale in fase gas con metanolo come reagente di H-transfer

La furfurale (FU) rappresenta una delle più importanti molecole piattaforma per la produzione di biocarburanti e prodotti chimici a partire dalle biomasse. L’elevato interesse che si nutre nei confronti di tale molecola è giustificato dall’ampio spettro di reazioni che possono essere condotte su di essa al fine di ottenere prodotti di interesse industriale, quali, ad esempio, il furfuril alcool (FAL) e il metilfurano (MFU). I processi attualmente utilizzati per la produzione di tali molecole usano H2 e costosi catalizzatori a base di metalli nobili. Un’alternativa interessante a questi processi è quella che prevede di utilizzare un alcool come fonte di idrogeno tramite un processo di H-transfer su catalizzatori a base di ossidi misti. Lo scopo di questa tesi è stata quindi la sintesi e lo studio delle proprietà catalitiche del sistema FeVO4, nella reazione di riduzione in fase gas della furfurale, usando metanolo come agente di H-transfer. Il catalizzatore è stato ottenuto mediante coprecipitazione dei precursori di Fe e V e successivamente calcinato. La caratterizzazione Raman e XRD ha confermato la bontà della procedura di sintesi. I risultati dei test catalitici hanno mostrato che nelle condizioni ottimali il sistema è altamente selettivo nella riduzione della FU a MFU, mentre i prodotti secondari sono 2-vinilfurano e 2,5-dimetilfurano. A causa della deposizione di specie carboniose sulla superficie del catalizzatore, la conversione della FU tende a diminuire col passare delle ore di reazione. Tuttavia il sistema risulta rigenerabile grazie ad un trattamento in aria a 450°C. Inoltre l’analisi XRD dei catalizzatori scaricati ha mostrato che l’ossido misto subisce un processo di riduzione a seguito dell’interazioni con il metanolo, in quanto la stechiometria Fe:V:O passa dal valore di 1:1:4 a valori di 1:1:3. Sulla base di questi dati il processo di produzione del MFU è stato ulteriormente ottimizzato effettuando un pretrattamento riduttivo del catalizzatore prima dei test catalitici.

Approccio strumentale per l'acquisizione del segnale epilettico

L’epilessia è una patologia neurologica cronica caratterizzata dalla tendenza, in un dato soggetto, a generare crisi convulsive spontanee, accompagnate generalmente da perdita di coscienza. Rappresenta uno fra i più frequenti disturbi neurologici cronici: l’1% della popolazione mondiale (circa 50 milioni) ne è affetta. Il presente elaborato di tesi ha analizzato le tecniche di imaging biomediche non invasive per lo studio dell’epilessia. Le tecniche PET, MEG e fMRI contribuiscono non solo a fornire una migliore comprensione dell’anatomia, della fisiologia e della connettività funzionale di specifiche aree cerebrali, ma consentono anche di localizzare determinate aree legate all’insorgenza e alla propagazione della crisi epilettica. Sono stati riportati studi clinici recenti che hanno investigato sull’uso di queste tecniche al fine di localizzare la zona epilettogena nei pazienti. Inoltre, gli studi si sono incentrati anche sullo sviluppo e sulla propagazione della crisi epilettica, fornendo delle indicazioni sulle possibili prospettive future relative alla tecnologia e all’elaborazione dei dati. L’analisi verrà condotta approfondendo le principali apparecchiature responsabili degli attuali sviluppi nelle ricerche sull’epilessia. Nello specifico, si effettuerà l’analisi della strumentazione partendo dai principi fisici alla base del suo funzionamento, per poi descriverne la struttura, le modalità di impiego per la specifica indagine e i futuri sviluppi.

Confronto di dati volumetrici di neuroimaging RM, acquisiti con differenti sonde a radiofrequenza

Il lavoro di questa tesi si propone di esaminare i dati di immagini cerebrali ricevuti da due differentii bobine RF per l'imaging in risonanza magnetica. La strumentazione utilizzata é: un apparecchio di RMN che utilizza uno scanner a 1.5T (GE Medical System signa HDx 15) e due differenti bobine a radiofrequenza: 1) 8-channel brain phased array coil GE (1.5T HD 8 Channel High Resolution Head Array per il GE HDx MR System); 2) GE Quad HEAD Birdcage Coil. I software utilizzati invece sono stati quattro, due per la segmentazione e la parcellizzazione dei dati dalle acquisizioni di MRI (FSL e Freesurfer), e due per l'analisi dei dati (SPSS e Microsoft Excel). I tool utilizzati di FSL sono stati SIENA, per un'indagine sulla variazione percentile della totalitá del volume cerebrale; SIENAX invece permette una segmentazione di volumi di 6 sotto regioni: sostanza grigia (GREY), sostanza bianca (WHITE), totalitá del cervello (BRAIN), liquor cerebrospinale dei ventricoli (vcsf), scaling volumetrico (vscaling), sostanza grigia periferica (pgrey). Freesurfer invece parcellizza la corteccia cerebrale e segmenta le zone della sostanza grigia profonda cerebrale. Lo scopo ultimo era quello di analizzare come la differenza di segnale acquisito dalle due bobine variasse i risultati delle analisi volumetriche delle immagini e vedere se il t-test evidenziasse variazioni sistematiche. Questa analisi aveva come scopo quello di determinare la possibilità di confrontare i soggetti i cui dati sono stati ottenuti con due bobine differenti. I dati analizzati non hanno evidenziato particolari differenze tra le due bobine, se non per i valori del liquor dei ventricoli che sono risultati variare, verosimilmente, per i processi fisiologici di atrofia della sostanza grigia cerebrale che avvengono nel tempo intercorso tra un'acquisizione e l'altra.

Tidal volume single breath washout of two tracer gases--a practical and promising lung function test

Background Small airway disease frequently occurs in chronic lung diseases and may cause ventilation inhomogeneity (VI), which can be assessed by washout tests of inert tracer gas. Using two tracer gases with unequal molar mass (MM) and diffusivity increases specificity for VI in different lung zones. Currently washout tests are underutilised due to the time and effort required for measurements. The aim of this study was to develop and validate a simple technique for a new tidal single breath washout test (SBW) of sulfur hexafluoride (SF6) and helium (He) using an ultrasonic flowmeter (USFM). Methods The tracer gas mixture contained 5% SF6 and 26.3% He, had similar total MM as air, and was applied for a single tidal breath in 13 healthy adults. The USFM measured MM, which was then plotted against expired volume. USFM and mass spectrometer signals were compared in six subjects performing three SBW. Repeatability and reproducibility of SBW, i.e., area under the MM curve (AUC), were determined in seven subjects performing three SBW 24 hours apart. Results USFM reliably measured MM during all SBW tests (n = 60). MM from USFM reflected SF6 and He washout patterns measured by mass spectrometer. USFM signals were highly associated with mass spectrometer signals, e.g., for MM, linear regression r-squared was 0.98. Intra-subject coefficient of variation of AUC was 6.8%, and coefficient of repeatability was 11.8%. Conclusion The USFM accurately measured relative changes in SF6 and He washout. SBW tests were repeatable and reproducible in healthy adults. We have developed a fast, reliable, and straightforward USFM based SBW method, which provides valid information on SF6 and He washout patterns during tidal breathing.

Design and Preliminary Results of an Atmospheric-Pressure Model Gas Turbine Combustor Utilizing Varying CO2 Doping Concentration in CH4 to Emulate Biogas Combustion

Utilization of biogas can provide a source of renewable energy in both heat and power generation. Combustion of biogas in land-based gas turbines for power generation is a promising approach to reducing greenhouse gases and US dependence on foreign-source fossil fuels. Biogas is a byproduct from the decomposition of organic matter and consists primarily of CH4 and large amounts of CO2. The focus of this research was to design a combustion device and investigate the effects of increasing levels of CO2 addition to the combustion of pure CH4 with air. Using an atmospheric-pressure, swirl-stabilized dump combustor, emissions data and flame stability limitations were measured and analyzed. In particular, CO2, CO, and NOx emissions were the main focus of the combustion products. Additionally, the occurrence of lean blowout and combustion pressure oscillations, which impose significant limitations in operation ranges for actual gas turbines, was observed. Preliminary kinetic and equilibrium modeling was performed using Cantera and CEA for the CH4/CO2/Air combustion systems to analyze the effect of CO2 upon adiabatic flame temperature and emission levels. The numerical and experimental results show similar dependence of emissions on equivalence ratio, CO2 addition, inlet air temperature, and combustor residence time. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A gas ion source for radiocarbon measurements at 200 kV

The novel tabletop miniaturized radiocarbon dating system (MICADAS) at ETH Zurich features a hybrid Cs sputter negative ion source for the measurement of solid graphite and gaseous CO2 samples. The source produces stable currents of up to 6 mu A C- out of gaseous samples with an efficiency of 3-6%. A gas feeding system has been set up that enables constant dosing of CO2 into the Cs sputter ion source and ensures stable measuring conditions. The system is based on a syringe in which CO2 gas is mixed with He and then pressed continuously into the ion source at a constant flow rate. Minimized volumes allow feeding samples of 3-30 mu g carbon quantitatively into the ion source. In order to test the performance of the system, several standards and blanks have successfully been measured. The ratios of C-14/C-12 could be repeated within statistical errors to better than 1.0% and the C-13/C-12 ratios to better than 0.2%. The blank was < 1 pMC.

Comparison of magnetic resonance imaging of inhaled SF6 with respiratory gas analysis

Magnetic resonance imaging of inhaled fluorinated inert gases ((19)F-MRI) such as sulfur hexafluoride (SF(6)) allows for analysis of ventilated air spaces. In this study, the possibility of using this technique to image lung function was assessed. For this, (19)F-MRI of inhaled SF(6) was compared with respiratory gas analysis, which is a global but reliable measure of alveolar gas fraction. Five anesthetized pigs underwent multiple-breath wash-in procedures with a gas mixture of 70% SF(6) and 30% oxygen. Two-dimensional (19)F-MRI and end-expiratory gas fraction analysis were performed after 4 to 24 inhaled breaths. Signal intensity of (19)F-MRI and end-expiratory SF(6) fraction were evaluated with respect to linear correlation and reproducibility. Time constants were estimated by both MRI and respiratory gas analysis data and compared for agreement. A good linear correlation between signal intensity and end-expiratory gas fraction was found (correlation coefficient 0.99+/-0.01). The data were reproducible (standard error of signal intensity 8% vs. that of gas fraction 5%) and the comparison of time constants yielded a sufficient agreement. According to the good linear correlation and the acceptable reproducibility, we suggest the (19)F-MRI to be a valuable tool for quantification of intrapulmonary SF(6) and hence lung function.

Long-term gas exchange characteristics as marker of deterioration in patients with cystic fibrosis

Background and Aim In patients with cystic fibrosis (CF) the architecture of the developing lungs and the ventilation of lung units are progressively affected, influencing intrapulmonary gas mixing and gas exchange. We examined the long-term course of blood gas measurements in relation to characteristics of lung function and the influence of different CFTR genotype upon this process. Methods Serial annual measurements of PaO2 and PaCO2 assessed in relation to lung function, providing functional residual capacity (FRCpleth), lung clearance index (LCI), trapped gas (VTG), airway resistance (sReff), and forced expiratory indices (FEV1, FEF50), were collected in 178 children (88 males; 90 females) with CF, over an age range of 5 to 18 years. Linear mixed model analysis and binary logistic regression analysis were used to define predominant lung function parameters influencing oxygenation and carbon dioxide elimination. Results PaO2 decreased linearly from age 5 to 18 years, and was mainly associated with FRCpleth, (p < 0.0001), FEV1 (p < 0.001), FEF50 (p < 0.002), and LCI (p < 0.002), indicating that oxygenation was associated with the degree of pulmonary hyperinflation, ventilation inhomogeneities and impeded airway function. PaCO2 showed a transitory phase of low PaCO2 values, mainly during the age range of 5 to 12 years. Both PaO2 and PaCO2 presented with different progression slopes within specific CFTR genotypes. Conclusion In the long-term evaluation of gas exchange characteristics, an association with different lung function patterns was found and was closely related to specific genotypes. Early examination of blood gases may reveal hypocarbia, presumably reflecting compensatory mechanisms to improve oxygenation.

Thermochromatography study of volatile polonium species in various gas atmospheres

Phenomena related to the volatilization of polonium and its compounds are critical issues for the safety assessment of the innovative lead–bismuth cooled type of nuclear reactor or accelerator driven systems. The formation and volatilization of different species of polonium and their interaction with fused silica was studied by thermochromatography using carrier gases with varied redox potential. The obtained results show that under inert and reducing conditions in the absence of moisture, elemental polonium is formed. Polonium compounds more volatile than elemental polonium can be formed if traces of moisture are present in both inert and reducing carrier gas. The use of dried oxygen as carrier gas leads to the formation of polonium oxides, which are less volatile than elemental polonium. It was also found that the volatility of polonium oxides increases with increasing oxidation state. In the presence of moisture in an oxidizing carrier gas, species are formed that are more volatile than the oxides and less volatile than the elemental polonium. Considering the redox potential of the carrier gas those species are likely oxyhydroxides.