L'aumento dell'inquinamento ambientale dovuto al traffico automobilistico e alle attività industriali è ad oggi un problema irrisolto, in particolare nelle grandi città e nelle aree industriali. Monitoraggio capillare della qualità dell'aria è di fondamentale importanza per garantire buone condizioni di vita alla popolazione, ma i sistemi di monitoraggio ambientale ad oggi disponibili sono generalmente di grandi dimensioni e molto costosi. Sistemi semplici e a basso costo basati su sensori allo stato solido sono stati proposti recentemente, ma la carente selettività dei sensori ad ossidi metallici (MOX) è un grave problema che non permette di quantificare singoli composti nocivi all'interno di miscele complesse. Spesso l'interferenza da parte di composti meno nocivi, come ad esempio l'umidità relativa, non permette di rilevare le basse quantità di composti cancerogeni come ad esempio il benzene.
E' stato sviluppato un sistema gas-cromatografico (GC) miniaturizzato, che combina le tecnologie della microlavorazione del Silicio con tecniche innovative per la preconcentrazione e la separazione chimica, uniti a sensori MOX utilizzati come detector. L'obiettivo è la rilevazione e quantificazione di composti organici volatili (VOC) in concentrazioni inferiori alla parte-per-miliardo (ppb), tipiche delle applicazioni di monitoraggio ambientale.
L'approccio sistemico include lo studio di materiali innovative per la pre-concentrazione di specie chimiche, la microlavorazione di dispositivi di separazione gas-cromatografica, la fabbricazione e caratterizzazeion di prototipi dell'intero sistema nonché lo sviluppo dell'elettronica di controllo e acquisizione dedicata.
E' stato prodotto un prototipo palmare, che integra cavitandi a ponti chinossalinici per la preconcentrazione chimica, una colonna di separazione impaccata microlavorata in Silicio nonché un array di sensori MOX come detector, integrati in un circuito fluidico semplificato che comprende alcuni componenti commerciali (mini-pompe e mini-valvole). L'uso di sensori MOX impegati come detector e del materiale innovativo per la preconcentrazione permettono di utilizzare aria filtrata, generata a bordo del sistema, come gas di trasporto gas-cromatografico. Per questo motivo il sistema non necessità di bombole di gas esterne, tipicamente necessarie nei GC commerciali. Schede di controllo miniaturizzate, altamente modulari ed interconnesse in 3D completano il sistema.
Il sistema è stato caratterizzato sia in condizioni di laboratorio che parzialmente in aria esterna. I grafici in basso mostrano cromatogrammi di miscele di benzene, toluene, etilbenzene e m-xylene (BTEX) in 9 differenti concentrazioni, nonché la curva di calibrazione non lineare del sistema, definita come l'area sottostante ai diversi picchi in funzione delle concentrazioni di VOC.
Un sistema GC palmare è stato progettato, realizzato e caratterizzato. Il mini-GC non richiede bombole esterne di gas, in quanto il gas di trasporto è generato direttamente a bordo del sistema. Limiti di rivelabilità inferiori a 0.1 ppb sono stati dimostrati in condizioni di laboratorio, pre-concentrando il campione per 50 minuti.
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