L'attività di ricerca svolta ha riguardato la progettazione, lo sviluppo e la caratterizzazione di guide leaky a cladding metallico per applicazioni sensoristiche.

L’analisi selettiva, veloce ed accurata di cellule o, in generale, di particelle è ampliamente usata in diversi ambiti applicativi come la biologia cellulare, la medicina, la tossicologia, il monitoraggio ambientale. Tali analisi sono effettuate mediante apparecchiature dedicate al conteggio di un elevato numero di singole cellule o particelle, i citofluorimetri a flusso, che sono realizzate usando una complessa serie di componenti fluidici, ottici, elettronici e software. In particolare, cellule/particelle in sospensione vengono iniettate in un flusso laminare e idrodinamicamente focheggiate in un flusso di singole cellule/particelle che passano sotto una luce monocromatica. La luce diffusa o emessa in fluorescenza è raccolta ed analizzata fornendo informazioni per la classificazione delle cellule/particelle.

Tipicamente i citofluorimetri a flusso sono strumenti ingombranti, complessi, delicati e costosi e questo limita fortemente il loro utilizzo al di fuori di laboratori di ricerca avanzati. Vi è quindi una forte necessità di sviluppare citofluorimetri a flusso che siano adatti ad applicazioni di monitoraggio diffuso ed in situ. A tal fine, parte dell’attività di ricerca svolta presso l’IREA è stata indirizzata alla progettazione, realizzazione e caratterizzazione di micro-citofluorimetri a flusso, sia in silicio che in materiali plastici. I dispositivi realizzati prevedono che tutta la parte di microfluidica e d’illuminazione e raccolta della luce venga integrata su uno stesso supporto consentendo così la realizzazione di un cosiddetto “Lab on Chip” con una notevole riduzione delle dimensioni, della complessità e dei costi del dispositivo.

I citifluorimetri non sono gli unici sensori biochimici/biomedici sviluppati all’IREA. Un diverso metodo è quello che viene considerato nella realizzazione di piattaforme ibride. Sfruttando un approccio modulare, è possibile utilizzare substrati di silicio per la realizzazione di canali optofluidici di guide d’onda ARROW mentre gli elementi microfluidici vengono realizzati in PDMS (polidimetilsilossano). Tale piattaforma ibrida, basata sull’utilizzo di guide ibride (h-ARROW), ha permesso di raggiungere bassi limiti di rivelazione (dell’ordine di poche nM). Grazie alla struttura modulare, offre il vantaggio di una rapida prototipizzazione ed una elevata versatilità in quanto gli elementi microfluidici possono essere rapidamente sostituiti.

Una rapida ed efficace rivelazione di sostanze chimiche o di batteri è stata ampiamente utilizzata avvalendosi di sensori optofluidici basati su guide d’onda a getto. In tali dispositivi la natura guidante di un getto liquido viene utilizzata per veicolare la fluorescenza naturale prodotta dalla soluzione analizzata, quando eccitata mediante radiazione UV. Tale approccio è stato utilizzato ad esempio nella rivelazione di inquinanti dell’acqua (in particolare idrocarburi) e nella rivelazione di batteri (ad esempio Bacillus Subtilis o Microcystis Aeruginosa). Sono stati realizzati diversi dispositivi di tal genere: da quelli integrati a dispositivi portatili. In particolare, la realizzazione di sensori da utilizzare per misure su campo è stata sviluppata nell’ambito del progetto ACQUASENSE.

Il sistema di monitoraggio dello stato del mare istallato in aree costiere consente di stimare i parametri fisici coinvolti nei fenomeni osservabili sotto costa, come l’erosione e i dissesti causati sia da fattori naturali (azioni delle correnti costiere e del moto ondoso) che antropici (opere marittime progettate senza un’adeguata valutazione dell’impatto ambientale).

La ricostruzione ad alta risoluzione delle mappe di batimetria e dei campi di corrente superficiale in zona costiera avviene attraverso l’utilizzo dell’algoritmo NSP, una tecnica sviluppata dai ricercatori dell’IREA CNR. La figura riporta il confronto tra la mappa di batimetria ricostruita da un echo-saunder multi-beam e quella stimata dalle immagini radar in banda X.

Oltre al monitoraggio dei fenomeni costieri, il sistema di stima dello stato del mare è stato utilizzo per supportare le attività di rimozione del relitto della Costa Concordia, naufragata il 13/01/2013 sulle coste dell’Isola del Giglio. Le informazioni restituite da tale sistema hanno infatti consentito di valutare l’impatto delle onde sul relitto ed i campi di corrente superficiali in prossimità di esso.

Nel loro funzionamento tradizionale, i radar nautici in banda X trasmettono un’onda elettromagnetica e ne analizzano l’eco per individuare gli ostacoli o le navi (target). A tal fine, i segnali riflessi dalla superficie del mare sono generalmente soppressi poiché considerati un disturbo (“clutter”) per l’individuazione dei bersagli. Un’analisi opportuna del segnale di clutter consente di ottenere informazioni sui principali parametri caratteristici dello stato del mare come: lunghezza d'onda, direzione e periodo delle onde dominanti, altezza d'onda significativa oltre che di ricostruire la mappa delle correnti superficiali e della batimetria del fondale e determinare, direzione ed intensità del vento.

La conoscenza di tali informazioni risulta essere utile per molti scopi, come lo sviluppo di una serie di applicazioni e di servizi per uso militare e civile come ad esempio, protezione della costa, sicurezza navi sia in fase di navigazione che durante le manovre in aree portuali, sicurezza delle piattaforme off-shore, e supporto alle operazioni di ricerca e salvataggio naufraghi.

Le immagini radar non forniscono una rappresentazione diretta dello stato del mare, a causa di fenomeni noti col nome di modulazione, quindi la stima di tali parametri richiede l’uso di specifiche procedure di ricostruzione. In questo ambito, i ricercatori dell’IREA hanno messo a punto innovative tecniche per l’elaborazione dei dati radar che, partendo da una serie temporale di immagini radar spaziali acquisite, consentono di stimare, in tempo reale e con elevata accuratezza, tutte le informazioni che caratterizzano lo stato del mare le correnti e, in certe condizioni la batimetria, in un’area avente raggio di qualche Km. La Figura  riporta lo schema a blocchi della procedura di analisi dei dati radar.

L’accuratezza e l’affidabilità di tali procedure è stata validata sia attraverso l’uso di dati simulati sia su dati reali acquisiti da piattaforme mobili (navi) sia da postazioni costiere fisse.

Il cancro è, oggigiorno, tra le principali cause di morte e la disponibilità di tecniche diagnostiche, capaci di rilevarne la presenza sin dai primissimi stadi di formazione, unitamente a protocolli terapeutici, che agiscano direttamente sulla lesione con ridotto impatto sui tessuti sani circostanti, è alla base sia di una riduzione del tasso di mortalità sia del miglioramento della qualità della vita dei pazienti.

L’importanza di una diagnosi precoce e di un trattamento clinico efficace e con ridotti effetti collaterali motiva la ricerca di nuove e più efficienti strategie. In questo contesto, i ricercatori dell’IREA, grazie alle loro competenze sia in ambito ingegneristico che biologico, sono impegnati nello studio di fattibilità di nuove tecnologie basate sull’uso combinato di campi elettromagnetici a frequenze delle microonde e nano particelle. Queste ultime sono usate come agenti di contrasto che, legandosi selettivamente alle cellule tumorali, da un lato ne incrementano l’individuazione e dall’altro facilitano la localizzazione del trattamento terapeutico.