A comprehensive approach to noxious gases detection

The research project discussed within this thesis was split into two main lines: • realization of a database on the state of the art of gas sensors; • development of innovative sensors prototypes for carbon monoxide and DMMP detection. The strategy behind the above separation was to perform a comprehensive approach to dangerous gases detection, starting from a profound analysis of the state-of-the-art to designing and testing prototypes to implement new transduction techniques for detecting the analytes with high sensibility. Realization of the database required defining the model of information and implementing the architecture that up to now contains more that 1000 descriptive files concerning the most popular transduction techniques for gas analysis. The second activities line was aimed at developing CO and DMMP sensors prototypes. Carbon Monoxide was selected as a target mainly due to its high toxicity, which claims for better detecting systems. The innovative approach to CO sensing was based on a biomimetic technology which uses the high affinity of iron ions towards CO molecules for enhancing the sensor’s sensitivity and selectivity. The sensing layers were Fe-porphyrins, analogous the basic compounds of haemoglobin. Then, the research line intended to use the biological effect of CO poisoning to develop a new kind of sensor. The selected transduction technique is based on mass changes, thus using QMB devices for sensing. The preliminary results where good enough that an industrial demo unit has been realized with the objective of becoming the starting point for further industrial development. One of the main application areas of such a device can be envisaged in assessing the exposure to unknown amounts of CO during work activities. The second target compound was chosen according to two main considerations: first of all because of its large industrial use, then because of its chemical properties a simulant of the nerve agent Sarin. The composition of the sensitive layers (complexes of lanthanide ions), was chosen as a consequence of preliminary studies of the interaction mechanisms between lanthanide complexes and chemical compounds containing a P=O group. The transduction elements were Surface Acoustic Wave devices (SAW) that allowed implementing a mass change technique. Also the results of this study were encouraging enough, even though some additional work on controlling the environmental parameters and experimental conditions should be done. Then, great attention was devoted to studying the feasibility of biosensors based on amino acids and QMB, for detecting CO and DMMP. These experiments, carried out using an electronic nose, showed that this approach is promising for obtaining highly sensitive, selective and stable sensors. Finally, the goals have been reached with satisfactory results and a commercial exploitation of the prototypes, from the database to the biosensing devices, can be envisaged with a certain degree of confidence. The activities developed during this PhD course have been carried out within the frame of the “Innovative Materials and Technologies for Advanced Sectors” Industrial innovation project, in cooperation within the Centro Sviluppo Materiali S.p.A.

Il progetto di ricerca discusso in questa tesi è suddiviso in due line principali: • la realizzazione di un database sullo stato dell’arte dei sensori di gas; • lo Sviluppo di prototipi di sensori innovativi per la rilevazione del monossido di carbonio e del DMMP. La suddivisione delle attività è mirata a fornire una descrizione completa delle tecniche di rilevazione di gas nocivi, partendo dall’analisi dello stato dell’arte e dei principi di funzionamento fino al progetto, realizzazione e test di prototipi basati su tecniche di traduzione innovative. Lo sviluppo del database, iniziato con la definizione di un modello dell’informazione e proseguito con la realizzazione dell’architettura, ha portato alla realizzazione di oltre 1000 file che descrivono i vari aspetti delle più comuni tecniche di traduzione utilizzate nella rilevazione di gas. La seconda linea di ricerca ha portato allo Sviluppo di prototipi di sensori per la rilevazione di CO e DMMP. La scelta del monossido di carbonio come gas target è stata dettata dalla elevata tossicità del composto e dalla necessità di sviluppare sensori più efficienti rispetto a quelli attualmente presenti sul mercato. Lo strato sensibile è stato realizzato con Porfirine di Ferro, di composizione analoga a quelle presenti nella molecola dell’emoglobina, per utilizzare un meccanismo di interazione simile a quello che in natura porta ai fenomeni di avvelenamento da CO. La tecnica di trasduzione scelta è basata su microbilance al quarzo (QMB), per poter rilevare il gas di interesse attraverso variazioni di massa del dispositivo sensibile. La qualità dei primi risultati ottenuti ha spinto verso la realizzazione di un dimostratore, punto di partenza per un futuro Sviluppo a livello di produzione industriale. Le possibili aree di applicazione di un sensore di questo tipo possono essere individuate in quei settori in cui è necessario stimare i livelli di esposizione al monossido di carbonio durante le attività lavorative. Il secondo composto di interesse è stato scelto in base a due considerazioni fondamentali: in primo luogo a causa del massiccio impiego a livello industriale, poi per le proprietà chimico-fisiche che lo rendono simulante del Sarin. La scelta dello strato sensibile (complessi di ioni lantanidi) è basata su studi preliminari sull’interazione tra questo tipo di complessi e sostanze chimiche che contengono gruppi P=O. La tecnica di trasduzione, anche in questo caso a variazione di massa, è stata implementata utilizzando dispositivi ad onda acustica superficiale (SAW). I risultati di questo studio sono stati molto incoraggianti, anche se un futuro sviluppo di tipo commerciale non può prescindere da un maggiore controllo delle condizioni sperimentali. Infine, è stato condotto uno studio di fattibilità sulla possibilità di realizzare biosensori basati su aminoacidi e microbalance al quarzo per la rilevazione di monossido di carbonio e DMMP. La fase sperimentale è stata condotta utilizzando un naso elettronico ed ha dimostrato che questo tipo di approccio potrà portare in futuro alla realizzazione di sensori dotati di ottime caratteristiche di sensibilità, selettività e stabilità. In conclusione, gli obiettivi perseguiti durante il periodo del Corso di Dottorato sono stati raggiunti con risultati soddisfacenti, tanto che è possible pensare ad un utilizzo a livello industriale sia del database che dei sensori di gas. Le attività svolte durante il Corso di Dottorato sono inserite nell’ambito del Progetto di Innovazione Industriale “Materiali e Tecnologie Innovative per Settori Avanzati”, in collaborazione con il Centro Sviluppo Materiali S.p.A.