Sensor Devices for Extreme Environments [Dispositivi Sensoristici per Ambienti Estremi (missioni spaziali)]

This thesis presents the development of advanced smart sensor devices designed to detect stress biomarkers, specifically tailored for long-term space missions. Targeting key biomarkers such as catecholamines (dopamine, noradrenaline, adrenaline) and cortisol, this research proposes an innovative array based on synthetic organic probes. Unlike traditional antibody-based devices, which face challenges such as poor reusability, limited detection range, low stability, and restricted detection scope, the proposed array addresses these limitations by employing stable and flexible synthetic organic probes capable of detecting multiple biomarkers in a single analysis. A key innovation of this system is its capability to detect multiple biomarkers without requiring sample pre-treatment, a significant advantage in space where simplicity and safety are essential. Detection methods for dopamine and noradrenaline utilise quinoxaline cavitands, carbon nanoparticles, and BODIPY strips, while cortisol detection is achieved through rhodamine-based arrays. The integration of microfluidic technology, in collaboration with Kayser Italia, has facilitated the development of practical, space-ready prototypes. This research demonstrates that these versatile sensor arrays hold significant potential beyond space missions, with promising applications in healthcare. By leveraging smartphone technology as detectors, these devices offer an accessible, low-cost method for monitoring stress biomarkers and potentially other vital health indicators. The findings of this study lay the foundation for future developments in real-time, everyday health diagnostics.

Questa tesi presenta lo sviluppo di dispositivi avanzati di sensori intelligenti progettati per rivelare biomarcatori dello stress, specificamente concepiti per missioni spaziali a lungo termine. Mirando a biomarcatori chiave come le catecolamine (dopamina, noradrenalina, adrenalina) e il cortisolo, questa ricerca propone un array innovativo basato su sonde organiche sintetiche. A differenza dei tradizionali dispositivi basati su anticorpi, che affrontano sfide come scarsa riutilizzabilità, limitata gamma di rilevamento, bassa stabilità e ridotto campo di applicazione, l'array proposto supera queste limitazioni utilizzando sonde organiche sintetiche stabili e ad ampio spettro nel range UV-Vis, capaci di rilevare più biomarcatori in una singola analisi. Un'innovazione fondamentale di questo sistema è la capacità di rivelare più biomarcatori senza richiedere il pre-trattamento dei campioni, un vantaggio significativo nello spazio, dove semplicità e sicurezza sono essenziali. In questa tesi di dottorato vengono mostrati diversi lavori, in particolare: i metodi di rilevamento per dopamina e noradrenalina utilizzano cavitandi a base chinossalinica, nanoparticelle di carbonio e strip-test a base di BODIPY, mentre il rilevamento del cortisolo avviene tramite array basati su probe di rodamine. L'integrazione della tecnologia microfluidica, in collaborazione con Kayser Italia, ha facilitato lo sviluppo di prototipi pratici e pronti per l’uso nello spazio. Questa ricerca dimostra che questi sensori array possiedono un notevole potenziale anche al di fuori delle missioni spaziali, con promettenti applicazioni nel settore sanitario. Sfruttando la tecnologia degli smartphone come rilevatori, questi dispositivi offrono un metodo accessibile e a basso costo per monitorare biomarcatori dello stress e potenzialmente altri indicatori vitali della salute. I risultati di questo studio gettano le basi per futuri sviluppi nella diagnostica sanitaria in tempo reale e nella vita quotidiana.