Sensore ottico innovativo per la misura di assorbanza e scattering in presenza di variazioni di osmolarita plasmatica

Progettazione di un sensore ottico ad assorbanza per lo studio dell'effetto dell'osmolarità sul sangue.

An optical sensor for online hematocrit measurement: characterization and fitting algorithm development

Lo scopo del presente lavoro di tesi riguarda la caratterizzazione di un sensore ottico per la lettura di ematocrito e lo sviluppo dell’algoritmo di calibrazione del dispositivo. In altre parole, utilizzando dati ottenuti da una sessione di calibrazione opportunamente pianificata, l’algoritmo sviluppato ha lo scopo di restituire la curva di interpolazione dei dati che caratterizza il trasduttore. I passi principali del lavoro di tesi svolto sono sintetizzati nei punti seguenti: 1) Pianificazione della sessione di calibrazione necessaria per la raccolta dati e conseguente costruzione di un modello black box.  Output: dato proveniente dal sensore ottico (lettura espressa in mV)  Input: valore di ematocrito espresso in punti percentuali ( questa grandezza rappresenta il valore vero di volume ematico ed è stata ottenuta con un dispositivo di centrifugazione sanguigna) 2) Sviluppo dell’algoritmo L’algoritmo sviluppato e utilizzato offline ha lo scopo di restituire la curva di regressione dei dati. Macroscopicamente, il codice possiamo distinguerlo in due parti principali: 1- Acquisizione dei dati provenienti da sensore e stato di funzionamento della pompa bifasica 2- Normalizzazione dei dati ottenuti rispetto al valore di riferimento del sensore e implementazione dell’algoritmo di regressione. Lo step di normalizzazione dei dati è uno strumento statistico fondamentale per poter mettere a confronto grandezze non uniformi tra loro. Studi presenti, dimostrano inoltre un mutazione morfologica del globulo rosso in risposta a sollecitazioni meccaniche. Un ulteriore aspetto trattato nel presente lavoro, riguarda la velocità del flusso sanguigno determinato dalla pompa e come tale grandezza sia in grado di influenzare la lettura di ematocrito.

Sviluppo di un sistema di misura ottico per la valutazione accurata del volume ematico durante il trattamento emodialitico.

L’insufficienza renale cronica è una malattia di grande impatto sulla sanità pubblica. Il punto di approdo per la maggior parte dei pazienti, alternativo al trapianto renale, è il trattamento dialitico che rappresenta una cura ad alto costo sia sociale che economico. Il rene artificiale è il dispositivo attraverso il quale si effettua la terapia, ed è frutto di un costante sviluppo che mira a sostituire la funzione renale in quanto sottosistema dell’organismo umano. Per questo è sempre più importante dotarlo di un adeguato set di sensori che permettano di monitorare l’efficacia del trattamento. L’emodialisi prevede la rimozione dei liquidi in eccesso accumulati nel periodo che intercorre tra due trattamenti successivi, per questo un parametro molto importante da monitorare è la variazione relativa del volume ematico (RBV, Relative Blood Volume Variation). A questo scopo gli attuali dispositivi per dialisi in commercio utilizzano tecnologie ad ultrasuoni o ottiche: è stata però recentemente evidenziata la sensibilità indesiderata di questa seconda tecnica ai cambiamenti di osmolarità del sangue sotto analisi. Lo studio presentato in questa tesi è volto a migliorare l’accuratezza con la quale effettuare la stima del RBV nel corso del trattamento dialitico, attraverso un sistema di misura ottico sperimentale. Il prototipo realizzato prevede di aumentare le informazioni raccolte sia aumentando la distribuzione spaziale dei sensori ottici che allargando la banda di lunghezze d’onda alla quale i dati vengono acquisiti. La stima del RBV è gestita attraverso algoritmi basati sulle combinazioni lineari, sulle reti neurali e su modelli autoregressivi.

Studio di stati fotoeccitati in nanoparticelle di V-TiO2 mediante scattering inelastico risonante di raggi X

La TiO2 è uno dei materiali più studiati degli ultimi decenni. I motivi sono da ricercarsi nelle sue numerose applicazioni, possibili in molti campi come dispositivi fotovoltaici, depurazione da agenti inquinanti o filtraggio di raggi UV. Per le celle elettrochimiche in particolare, il biossido di titanio offre molti vantaggi, ma non è privo di ostacoli. Il limite principale è lo scarso assorbimento dello spettro visibile, dovuto all’energy gap elevato (circa 3.2 eV). La ricerca da diversi anni si concentra sul tentativo di aumentare l’assorbimento di luce solare: promettenti sono i risultati raggiunti grazie alla forma nanoparticellare della TiO2, che presenta proprietà diverse dal materiale bulk. Una delle strategie più studiate riguarda il drogaggio tramite impurità, che dovrebbero aumentare le prestazioni di assorbimento del materiale. Gli elementi ritenuti migliori a questo scopo sono il vanadio e l’azoto, che possono essere usati sia singolarmente che in co-doping. In questo lavoro abbiamo realizzato la crescita di nanoparticelle di V-TiO2, tramite Inert Gas Condensation. La morfologia e la struttura atomica sono state analizzate attraverso microscopia a trasmissione, analizzandone la mappe tramite image processing. Successivamente abbiamo studiato le proprietà di assorbimento ottico dei campioni, nello spettro visibile e nel vicino ultravioletto, attraverso il metodo della riflettanza diffusa, determinando poi il bandgap tramite Tauc Plot. L’esperimento centrale di questo lavoro di tesi è stato condotto sulla beamline ID26 dell’European Synchrotron Radiation Facility, a Grenoble. Lì, abbiamo effettuato misure XANES, allo scopo di studiare gli stati fotoeccitati del materiale. L’eccitazione avveniva mediante laser con lunghezza d’onda di 532 nm. Tramite gli spettri, abbiamo analizzato la struttura locale e lo stato di ossidazione del vanadio. Le variazioni indotta dal laser hanno permesso di capire il trasferimento di carica e determinare la vita media.

Electronic states of trans-polyacetylene, poly(p-phenylene vinylene) and sp-hybridised carbon species in amorphous hydrogenated carbon probed by resonant Raman scattering

Inclusions of sp-hybridised, trans-polyacetylene [trans-(CH)x] and poly(p-phenylene vinylene) (PPV) chains are revealed using resonant Raman scattering (RRS) investigation of amorphous hydrogenated carbon (a-C:H) films in the near IR – UV range. The RRS spectra of trans-(CH)x core Ag modes and the PPV CC-H phenylene mode are found to transform and disperse as the laser excitation energy ћωL is increased from near IR through visible to UV, whereas sp-bonded inclusions only become evident in UV. This is attributed to ћωL probing of trans-(CH)x chain inhomogeneity and the distribution of chains with varying conjugation length; for PPV to the resonant probing of phelynene ring disorder; and for sp segments, to ћωL probing of a local band gap of end-terminated polyynes. The IR spectra analysis confirmed the presence of sp, trans-(CH)x and PPV inclusions. The obtained RRS results for a-C:H denote differentiation between the core Ag trans-(CH)x modes and the PPV phenylene mode. Furthermore, it was found that at various laser excitation energies the changes in Raman spectra features for trans-(CH)x segments included in an amorphous carbon matrix are the same as in bulk trans-polyacetylene. The latter finding can be used to facilitate identification of trans-(CH)x in the spectra of complex carbonaceous materials.

Rayleigh theory of ultrasound scattering applied to liquid-filled contrast nanoparticles

We present a novel modified theory based upon Rayleigh scattering of ultrasound from composite nanoparticles with a liquid core and solid shell. We derive closed form solutions to the scattering cross-section and have applied this model to an ultrasound contrast agent consisting of a liquid-filled core (perfluorooctyl bromide, PFOB) encapsulated by a polymer shell (poly-caprolactone, PCL). Sensitivity analysis was performed to predict the dependence of the scattering cross-section upon material and dimensional parameters. A rapid increase in the scattering cross-section was achieved by increasing the compressibility of the core, validating the incorporation of high compressibility PFOB; the compressibility of the shell had little impact on the overall scattering cross-section although a more compressible shell is desirable. Changes in the density of the shell and the core result in predicted local minima in the scattering cross-section, approximately corresponding to the PFOB-PCL contrast agent considered; hence, incorporation of a lower shell density could potentially significantly improve the scattering cross-section. A 50% reduction in shell thickness relative to external radius increased the predicted scattering cross-section by 50%. Although it has often been considered that the shell has a negative effect on the echogeneity due to its low compressibility, we have shown that it can potentially play an important role in the echogeneity of the contrast agent. The challenge for the future is to identify suitable shell and core materials that meet the predicted characteristics in order to achieve optimal echogenity.