Dottorato in FISICA

Titolo della tesi: Optical sensing of VOCs and viral biomolecules via IR spectroscopy for air pollution monitoring

In un'epoca in cui i cambiamenti climatici, l'inquinamento ambientale e il rischio di pandemie gravano e minacciano fortemente la società, la comunità scientifica deve affrontare grandi sfide per preservare la salute umana e l'ambiente, la loro sicurezza ed equilibrio. Un elemento essenziale per l'applicazione di azioni preventive è avere un monitoraggio preciso, efficiente e rapido dello stato della qualità dell'aria, al fine di capire immediatamente qual è il problema, come intervenire per contrastarlo e garantire così la sicurezza degli uomini e dell'ambiente. Con questo obiettivo, il lavoro riportato in questa tesi di dottorato è il risultato di un progetto che mira a introdurre un progresso tecnologico nel campo del (bio)sensing, superando i limiti degli attuali strumenti di rilevazione proponendo la progettazione di una nuova strategia di rilevamento ottico basata sulla spettroscopia infrarossa (IR) per la rilevazione di inquinanti chimici e biologici nell'aria. Nella prima parte della tesi viene esposto lo sviluppo di un sistema sensoristico basato sulla spettroscopia IR per la rilevazione di composti organici volatili (COV) gassosi. Nove inquinanti chimici tossici sono analizzati, sia singolarmente che in miscele; un algoritmo di apprendimento automatico è quindi sviluppato e combinato con il setup ottico, fornendo nel complesso una rilevazione altamente sensibile, specifica e rapida. Nella seconda parte, la spettroscopia IR viene applicata per il rilevamento ottico di biomarcatori virali, con l'obiettivo di monitorare patogeni aerodispersi. La proteina spike del virus SARS-CoV-2 è stata considerata come oggetto di studio e, combinando dati spettrali con analisi e previsioni computazionali, viene fornita la caratterizzazione e l'indagine strutturale dei domini della proteina S, sia per il wild type virus che per diverse varianti di interesse. Infine, nella terza parte della tesi sono riportati i risultati preliminari riguardanti la progettazione di una piattaforma sensoristica biofunzionalizzata basata sulla tecnologia dei biocompositi di Metal-Organic Frameworks (MOFs). Questo lavoro si inserisce nel contesto della sostenibilità, con l'obiettivo di affrontare le emergenze ambientali e sanitarie e contribuire alla costruzione di una società verde, portando innovazioni nell'ambito della salute, della sicurezza sul lavoro e del l'ambiente.