CHEMICAL SENSORS FOR THE ENVIRONMENTAL MONITORING

Il corso fornisce conoscenze teoriche e pratiche sui sensori chimici e sulla loro applicazione al monitoraggio ambientale. Introduce i principi fondamentali di progettazione, funzionamento e validazione dei sensori, con particolare attenzione al rilevamento di inquinanti nell'aria, nell'acqua e nel suolo. Gli studenti apprenderanno come la concentrazione di alcune specie chimiche importanti per il monitoraggio ambientale possono essere determinate attraverso segnali misurabili e come le tecnologie basate sui sensori possono supportare la gestione della sicurezza ambientale, la valutazione del rischio e il processo decisionale.
Il corso tratta i fondamenti del rilevamento chimico, il ruolo degli elementi di riconoscimento e i diversi meccanismi di trasduzione alla base della raccolta del segnale. Lo studente imparerà a definire le diverse prestazioni analitiche (selettività, sensibilità, limiti di rilevamento, tempo di risposta, durata, intervallo di linearità, limite di rilevamento, riproducibilità, ripetibilità) e a scegliere la configurazione del sensore più adatta in base a queste proprietà.
Verranno discusse diverse classi di sensori e biosensori, tra cui quelli elettrochimici, elettronici, ottici, di massa, fornendo esempi esplicativi di tutte le applicazioni ambientali. Gli studi riguarderanno il monitoraggio di inquinanti inorganici e organici, metalli pesanti, nutrienti, pesticidi, composti organici volatili, gas serra e contaminanti emergenti. Le attività di laboratorio e pratiche includeranno la preparazione dei sensori e la loro applicazione all'analisi ambientale.

Conoscenze e comprensione:
- Comprendere i principi fondamentali dei sensori chimici, inclusi i processi di riconoscimento, i meccanismi di trasduzione, la generazione del segnale e i parametri che ne definiscono le prestazioni.
- Descrivere e confrontare diverse classi di sensori per diverse applicazioni.

Capacità di applicare conoscenze e comprensione:
- Identificare strategie di rilevamento adeguate per l'individuazione e il monitoraggio di inquinanti ambientali in aria, acqua e suolo.
- Valutare le prestazioni dei sensori, considerando sensibilità, selettività, limite di rilevamento, tempo di risposta, durata, stabilità, riproducibilità, intervallo di linearità e limite di rilevamento.
- Applicare i sensori chimici a casi di studio ambientali, tra cui il monitoraggio di metalli pesanti, nutrienti, pesticidi, composti organici volatili, gas serra e contaminanti emergenti.

Capacità di giudizio
- Interpretare i dati sperimentali ottenuti da misurazioni basate su sensori e valutarne l'affidabilità in relazione ai metodi analitici di riferimento.
- Riconoscere i vantaggi e i limiti dei sistemi di monitoraggio basati su sensori rispetto alle tecniche di laboratorio convenzionali.

Capacità di comunicazione
- Presentare e discutere analisi eseguite con sensori con particolare riferimento allo specifico analita.
- presentare e discutere i risultati in forma orale utilizzando una terminologia tecnica appropriata.

Capacità di apprendimento
- Consultare autonomamente la documentazione tecnica e la letteratura scientifica per rimanere aggiornati su nuove piattaforme, sensori e metodologie.

Conoscenze di base di equilibrio chimico e reattività delle specie chimiche.
Principi fondamentali di fisica.

Introduzione all'uso dei sensori per il rilevamento di specie target.
Definizione di analisi off-line, at-line, in-line e on-line. Analisi point-of-use e monitoraggio continuo.
Prestazioni analitiche: accuratezza, riproducibilità, ripetibilità, sensibilità, selettività, limite di rilevabilità, tempo di risposta, durata, intervallo di linearità e limite di rilevabilità.
Parti di un sensore: elementi di riconoscimento, trasduttore, elaboratore di segnale.
Classificazione dei sensori chimici.
Sensori per l'analisi dell'atmosfera, dell'aria e degli inquinanti atmosferici.
Sensori per l'analisi dell'acqua e degli inquinanti idrici.
Problematiche relative all'analisi del suolo.

Materiale fornito dal docente su Moodle

La valutazione avviene attraverso una prova orale sugli argomenti trattati durante le lezioni (parte teorica) e la valutazione di relazioni scritte relative alle esperienze svolte in laboratorio.
La prova orale inizia con la discussione di un esempio applicativo di un sensore chimico utilizzato per il controllo ambientale proposto dallo studente. Durante la discussione lo studente discuterà i principi fondamentali alla base della registrazione del segnale e gli approcci utilizzati per la definizione della prestazione analitica. L'esame riguarderà anche diversi aspetti teorici considerati durante le lezioni. Lo studente dovrà esporre i vari argomenti con un linguaggio formalmente e scientificamente corretto, dimostrando la capacità di collegare i diversi aspetti teorici trattati, e la loro correlazione con le esperienze svolte in laboratorio. A seconda della capacità di discussione degli argomenti richiesti, la durata dell'esame varia dai 30 ai 45 minuti.

orale

Il/la docente ha il dovere di vigilare affinché siano rispettate le regole di autenticità e originalità delle prove d'esame. Di conseguenza, nei casi in cui vi sia il sospetto di un comportamento irregolare, l'esame può prevedere un ulteriore approfondimento, contestuale alla prova d'esame, che potrà essere realizzato anche in modalità differente rispetto alle modalità sopra riportate.

La valutazione dell’esame orale ha un peso del 66% sul voto finale, mentre la valutazione delle relazioni di laboratorio ha un peso del 33%.
Durante l'esame orale verranno affrontati 2 argomenti su diverse parti del programma in cui verranno valutate le conoscenze teoriche, la proprietà di linguaggio e la capacità di estrarre concetti puntuali a problemi generali. Ad ogni argomento, considerato nel suo complesso, viene assegnata una valutazione da 0 a 10.
Ad ognuna delle 3 relazioni viene assegnato un punteggio da 0 a 3.5 valutando la correttezza della risposta alle domande poste dal docente, del linguaggio adottato, della corretta rappresentazione grafica e dell'elaborazione dei dati sperimentali.

Il corso si articolerà in 15 lezioni (30 ore) e 3 sessioni di laboratorio (18 ore).
Le lezioni saranno supportate da slide contenenti schemi e immagini relativi ai diversi argomenti. Le slide saranno disponibili sulla piattaforma Moodle prima della lezione per aiutare gli studenti a seguire la discussione e a integrare gli schemi con quanto spiegato in aula. Le slide saranno inoltre utili per lo studio e la preparazione all'esame.
Il laboratorio prevede una serie di misurazioni sperimentali per applicare le conoscenze teoriche acquisite durante le lezioni a esempi concreti. Gli studenti lavoreranno in gruppo (3-4 persone per gruppo) seguendo una procedura descritta prima della sessione di laboratorio. Gli studenti saranno invitati ad elaborare i risultati ottenuti durante l'esperienza di laboratorio e a presentare le principali conclusioni in una breve relazione che dovrà essere inviata e valutata prima dell'esame.

Questo insegnamento tratta argomenti connessi alla macroarea "Capitale naturale e qualità dell'ambiente" e concorre alla realizzazione dei relativi obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile