Irraggiamento: obiettivi, modalità e problematiche

Bisogna partire dall’osservare che l’energia con la quale una radiazione colpisce un oggetto (ricevitore) dipende non solo dalla potenza istantanea delle sorgente ma anche dalla posizione relativa tra sorgente – ricevitore. Siccome l’oggetto di studio in questione è un microorganismo, si dovrebbe considerare la radiazione che ad esso viene somministrata; tuttavia tale misurazione presenta scarsa fattibilità pratica per cui quando si presenta un valore di flusso fotonico si parla del flusso incidente che riceve ciascun pozzetto di crescita.

Possono essere adottate più strategie per sottoporre il chip in fase di crescita alle intensità sopra citate. Ipotizzando una potenza radiante emessa dalla sorgente costante nel tempo ed uniforme nel range di lunghezze d’onda utilizzate dal microorganismo, è possibile:

- sottoporre interamente il chip in crescita ad un’unica intensità regolando la distanza tra la sorgente luminosa ed il chip;

- sottoporre uno stesso chip a tre intensità differenti; vista l’impossibilità di isolare otticamente ogni singolo pozzetto o colonna trasversale di pozzetti, è possibile ottenere il risultato sfruttando la configurazione del chip infatti, come detto nel Capitolo 2, il chip può essere visto come formato da tre sezioni di 3 righe per 5 colonne di pozzetti. Ad ognuna di esse è possibile dedicare una unica intensità luminosa ottenibile mantenendo costante la distanza della sorgente dal chip ed adottando un sistema che permetta una schermatura localizzata dalla radiazione incidente. Per comprendere meglio quanto scritto si veda figura 3.11.

Figura 3.11 Configurazioni possibili di somministrazione della radiazione luminosa per

poter condurre la crescita nel chip. Le tre immagini in alto mostrano la possibilità di condurre la crescita ad un unico valore di flusso luminoso sull’intero chip mentre, nella figura sottostante, la strategia impiegata per condurre la crescita a flussi differenti contemporaneamente. La configurazione strutturale del chip permette di poter dedicare ciascuna sezione 3x15 pozzetti ad un unico valore di irraggiamento scelto in questo lavoro.

In natura, non tutta l’energia della radiazione solare viene sfruttata da Nannochloropsis gaditana per svolgere le sue funzione fotosintetiche ma solamente una parte di essa denominata PAR (Photosynthetically Active Radiation – Radiazione Fotosinteticamente Attiva). Il PAR è considerato circa il 41% della radiazione solare e copre le lunghezze d’onda che vanno da 400 nm a 700 nm. Siccome entro questo range assorbono la clorofilla ed i carotenoidi, questo aspetto è di importanza fondamentale quando si deve scegliere e progettare il sistema di controllo dell’intensità luminosa. Occorre non solo assicurare che la coltura in crescita riceva un determinato flusso fotonico ma anche che il dispositivo utilizzato per il controllo dell’intensità luminosa non vada a schermare quelle lunghezze d’onda dove assorbono i pigmenti in questione. A livello ottico il parametro che influisce sulla scelta del materiale di schermatura è l’assorbanza A.

Per concretizzare le volontà schematizzate in Figura 3.11, si è adottato inizialmente un sistema di controllo dell’intensità luminosa costituito da un foglio da lucido stampato a diverse tonalità di grigio in grado di lasciar filtrare su ciascuna sezione un fissato flusso fotonico (Figura 3.12). La sezione a 360 μEm^-2 s^-1, che rappresenta l’High Light (LH – alta luce), è stata invece ritagliata visto che, scelta e fissata la distanza tra chip e sorgente, corrisponde al flusso luminoso massimo raggiungibile da quest’ultima a quella determinata quota. Le altre due sezione di Medium Light (ML – luce di controllo; 60 μEm^-2 s^-1) e Low Light (LL – bassa luce; 6 μEm^-2 s^-1) erano schermate da

due colorazioni di grigio rispettivamente una più intensa dell’altro in grado di lasciar passare i flussi luminosi desiderati.

(a) (b)

Figura 3.12 Dispositivo di controllo dell’intensità luminosa. Nella figura a) foto del

dispositivo reale creato dallo stampaggio su carta da lucido di tonalità di grigio differenti al fine di trasmettere a ciascuna sezione il flusso voluto. La sezione di sinistra scherma il flusso fotonico fino ad ottenere una condizione di bassa luce (LL); la sezione centrale scherma la luce per averne un’intensità prossima ad una luce media (ML) mentre la sezione di destra è relativa all’alta luce (HL); in b) riproduzione in file CAD del chip in presenza del sistema per il controllo dell’intensità luminosa.

Tuttavia si è riscontrato che nella sezione ad alta luce la crescita era in linea con le aspettative mentre nelle altre due sezioni (luce media e bassa luce) la crescita non solo era molto limitata ma le crescite erano tra loro sovrapponibili. Da notare che la sezione ad alta luce non era schermata da nessun materiale mentre le altre due sezioni invece lo erano.

L’analisi di assorbanza dei due lucidi stampati con diverse gradazioni di grigio è stata effettuata allo spettrofotometro UV-Visibile ed ha prodotto i seguenti risultati.

(a) (b)

Figura 3.13 Spettri di assorbanza dei lucidi stampati con diverse gradazioni di grigio. Nel

grafico (a) sono stati monitorate le assorbanze dei lucidi usando l’aria come riferimento (bianco); invece nel grafico (b) si è utilizzato come riferimento (bianco) la carta da lucido.

Come dimostrano i risultati esposti nei grafici di figura 3.13, le gradazioni di grigio stampate su carta da lucido assorbono più o meno intensamente lungo lo spettro di lunghezze d’onda di nostro interesse aumentando verso il vicino UV. Nel grafico a) si è voluto verificare anche l’assorbanza della carta da lucido (linea blu) per assicurarsi se il problema derivi dalle colorazioni o dal tipo di materiale di supporto utilizzato. Come si può notare, lungo l’intero spettro di lunghezze d’onda, la carta da lucido presenta un salto di 0.32 punti di assorbanza e, rispetto alle gradazioni di grigio adottate, è quella che influisce meno. Il grafico b) invece indica l’assorbanza caratteristica delle gradazioni di grigio usate, visto che come riferimento è stata utilizzata la carta da lucido.

Questi risultati ci informano che, visto che i processi di stampaggio si basano sulla tecnica RBG (combinazione di colori di Rosso, Blu e Giallo), adottare un sistema di controllo dell’intensità usando stampaggio su carta (o altro tipo di matrice) non è conforme all’uso che si deve fare in questo lavoro.