Il nuovo scanner chimico, il naso elettronico

Luigi Campanella, già Presidente SCI

Con sempre maggiore frequenza capita di leggere sulla stampa scientifica, ma anche su quella di informazione, circa le applicazioni di nasi e lingue elettronici a problemi di varia importante natura:dalla diagnosi di patologie in atto alla verifica di caratterizzazioni DOC e DOP di alimenti, dal monitoraggio di matrici ambientali al controllo di autenticità di materiali vari. Già in passato mi sono occupato in questo blog dello stesso argomento, collegandolo al contributo ad esso che deriva proprio dai sensi dell’uomo, in particolare in questo caso olfatto e gusto. Vorrei tornare su aspetti storici e tecnici di questi preziosi strumenti analitici. I due punti di partenza per comprendere sono lo sviluppo della sensoristica ed il valore diagnostico di un’impronta sensoriale piuttosto che la risposta di un singolo sensore. Rispetto alle tecniche più largamente usate, come le tecniche cromatografiche che fornivano a livello qualitativo e quantitativo i differenti componenti presenti in una miscela incognita, rappresentano una valida alternativa i sensori elettronici che conducono ad una più ampia caratterizzazione del campione in esame fornendo una cosiddetta “impronta digitale” correlata alla composizione della matrice stessa.

I tipi di sensori sfruttati in tal senso devono necessariamente soddisfare determinati requisiti come la capacità di analizzare un ben preciso composto, la capacità di determinare analiti in concentrazioni ampiamente variabili, un tempo di analisi relativamente breve, un’elevata affidabilità, non influenzata drasticamente da variazioni nelle condizioni di misura, la capacità di fornire dati e misure accurate e ripetibili. In questa logica diverse tipologie di sensori sono stati sviluppati negli ultimi anni classificate in sensori “freddi” e in sensori “caldi”.

Tra i sensori “freddi” si possono annoverare:

  • i sensori CP (conducting organic polymers) formati da un substrato di silicio, una coppia di elettrodi placcati d’oro e un polimero organico conduttore (come polipirrolo, polianilina o politiofene) oppure drogati con carbone per ottenere un segnale analitico. Quando viene imposto un potenziale all’elettrodo una corrente passa attraverso il polimero conduttore. Il passaggio di un composto volatile altera la superficie e modifica il flusso di corrente e quindi la resistenza del sensore. E’ un sensore molto influenzato dall’umidità del campione e perciò inutilizzabili in camioni liquidi (polari) e in aria.
  • i sensori BAW (bulk acoustic wave) costituiti da cristalli piezoelettrici basati sul cambiamento di massa che può essere misurato dal cambiamento della frequenza di risonanza. Quando viene applicato un potenziale elettrico alternato, il cristallo vibra con una frequenza molto stabile definita dalle sue proprietà meccaniche. Quando lo stato che lo ricopre viene esposto ad un vapore, assorbe certe molecole che aumentano la massa e quindi diminuiscono la frequenza di risonanza del cristallo. Questa modifica può essere monitorata e costituisce il segnale del sensore. Questi sensori necessitano di un’elevata concentrazione di composti volatili per fornire risposte significative. Inoltre sono molto sensibili alle variazioni di temperatura e di umidità. Richiedono infine una certa delicatezza nell’uso.

 

Sensors 2009, 9, 6058-6083; doi:10.3390/s90806058

Tra i sensori “caldi” soprattutto per l’applicazione in campo ambientale e sui campioni contenenti acqua, si considerano:

  • i sensori MOSFET Metal Oxide FET (transistor a effetto di campo ad ossido di metallo), i quali si basano sul cambiamento di potenziale elettrostatico. Sono costituiti da tre strati: silicio semiconduttore, un isolante a ossido di silicio ed un metallo catalitico (platino, palladio). Operano come un transistor a cui viene applicato un potenziale che influisce sulla conduttività del transistor stesso. Quando una molecola polare interagisce con il metallo, il campo elettrico viene modificato e di conseguenza anche la corrente che fluisce attraverso il sensore. Si registra la variazione di tensione necessaria per riportare la corrente al valore iniziale. Sono delicati nel trasporto per cui non sono adatti a strumenti portatili.
  • i sensori MOS (metal oxide semiconductor-semiconduttori ad ossidi di metallo), che si basano su variazioni di conducibilità indotti da reazioni superficiali dovute all’adsorbimento del gas da analizzare. Il meccanismo della reazione si basa su uno scambio di ossigeno tra le molecole volatili ed il film metallico; questo causa una variazione di resistenza che viene registrata e confrontata alla quantità di composti adsorbiti. Inoltre la possibilità si poterli riscaldare a diverse temperature permette di sfruttare le diverse caratteristiche del layer (metallo) alle diverse temperature per ottenere segnali analitici cosiddetti “dedicati”. La matrice di sensori costituisce il cuore degli analizzatori sensoriali. Ciascun polimero della matrice, costituita da un numero di sensori variabili, presenta selettività verso diverse e numerose specie chimiche, così che i moderni nasi elettronici sono in grado di rispondere a migliaia di composti.

In tutti i casi il modello elettrico ottenuto viene successivamente elaborato e memorizzato da un software. L’enorme numero di valori ricavati dalle matrici dei sensori necessita infatti di un metodo interpretativo che associ le misure dei sensori alle proprietà di interesse del campione. Il cosiddetto “MODELLO DI RICONOSCIMENTO” è il sistema informativo che correla le misure dei sensori con le proprietà dei campioni permettendone il riconoscimento e la classificazione. Il modello di riconoscimento consta concettualmente di due passaggi fondamentali:

  • Esplorazione: fase in cui per ogni set di campioni, una volta memorizzate le impronte olfattive di ogni campione, si procede alla scelta di quei sensori e parametri che meglio descrivono, discriminano e caratterizzano le impronte olfattive di ogni analita, riducendo quindi la dimensionalità dei dati. E’ una fase in cui non si impone alcuna assunzione circa le caratteristiche dei campioni. La PCA (analisi delle componenti principali) permette questa importante fase di elaborazione. Infatti la PCA correla tra loro i dati ottenuti, descrivendo completamente il sistema. Un’ulteriore distinzione andrebbe eseguita in campo di esplorazione. Di fatti l’esplorazione non richiede conoscenze aggiuntive circa la natura dei dati ma, del resto, alcune conoscenze sono necessarie per l’interpretazione dei risultati.
  • Predizione: fase in cui si ha per obiettivo la costruzione del modello matematico che rappresenti “il più fedelmente possibile” le caratteristiche dei campioni. Le applicazioni della fase di predizioni sono tre: la supervisione (il modello deve distinguere tra campioni accettabili o non accettabili, nel senso di appartenenza o meno ad una data classe), la classificazione (consiste nell’associazione ad ogni campione di una classe di appartenenza tra le diverse identificate) e la quantificazione (il modello deve fornire indicazioni oltre che qualitative anche quantitative, relative cioè all’intensità di odore). Sono tutti passi controllati poiché devono essere formulate e verificate ipotesi circa le caratteristiche dei campioni analizzati, in modo da poter verificare la validità del modello di riconoscimento elaborato. La PLS (regressione che usa i minimi quadrati “parziali”) permette di eseguire la predizione ed è un metodo lineare. Oppure si può procedere con la messa a punto di una rete neurale. Una rete neurale* è un paradigma di elaborazione delle informazioni ispirato dal sistema nervoso-cerebrale umano, in grado di apprendere con l’esperienza.

Esistono già in commercio moltissimi dispositivi preposti alla individuazione di un’impronta olfattiva. Ad esempio la TECHNOBIOCHIP S.c.a r.l. propone un naso elettronico “LIBRA NOSE” in continua evoluzione che rappresenta il frutto di una ricerca avanzata sviluppata dal dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Tor Vergata. Si tratta di uno strumento multi sensoriale che mostra analogie con la struttura olfattiva dei mammiferi. Lo strumento è fornito di una matrice di otto sensori risonanti di quarzo su cui vengono deposte otto diverse metallo porfirine (una diversa porfirina e un diverso metallo ad essa coordinato per ogni sensore), in modo tale da renderle sensibili alle sostanze volatili responsabili dell’odore. La scelta delle metallo porfirine è stata fatta sulla base del loro particolare ruolo in natura, dove presentano diverse funzionalità fondamentali, come il trasporto di ossigeno nel sangue; per questa ragione si suppone che siano dotati di grande affidabilità. D’altro canto le porfirine mostrano proprietà coordinanti marcate rendendole adatte per moltissime applicazioni del naso elettronico. Infatti, sebbene sia noto ben poco circa le strutture proteiche dei recettori olfattivi umani, si può argomentare che molti dei recettori contengano ioni metallici nei loro siti attivi.

Il naso fornisce una differente frequenza di oscillazione dei sensori a seconda della traccia olfattiva lasciata dal campione in esame, che deve essere necessariamente volatile affinché possa essere rilevabile una impronta odorosa. La scelta dei sensori è ricaduta su sistemi specifici che interagissero con le molecole volatili sviluppatesi dal campione. Quando una sostanza viene immessa nello strumento (grazie ad una pompa di gas opportuno collegata con il naso elettronico) potrà dare delle interazioni più o meno deboli (tipo interazioni di Van der Waals) con la porfirina. Questa serie di interazioni fa variare la frequenza di oscillazione dei quarzi e si registra una variazione di frequenza. Sono quindi possibili anche studi di cinetica di reazione, e di termodinamica di reazione basandosi sulla differente interazione che una sostanza ha con le diverse porfirine. Comprensibilmente in base alle diverse interazioni si distinguono le sostanze che appunto mostrano diverse differenze di frequenza. Le uniche problematiche dello strumento sono rappresentate dall’eventuale solubilizzazione delle porfirine con determinati campioni o il loro avvelenamento. Gli studi di ricerca si orientano nella sintesi di porfirine adeguate alle diverse problematiche. Il passo successivo alla determinazione delle diverse frequenze di vibrazione dei cristalli di quarzo è costituito dalla analisi statistica delle diverse variabili che individuano una traccia olfattiva. L’analisi dei dati è un compito importante per un naso elettronico. Nell’olfatto naturale, come precedentemente asserito, avviene un processo di discernimento tra i diversi odori per assegnarli ad una ben definita classe. Tra le numerose tecniche disponibili correntemente per il riconoscimento hanno maggiore rilievo le reti neurali (neural networks). Tra questi la Technobiochip e l’università di Tor Vergata ha posto attenzione su una classe particolare chiamata “organizing maps”. Queste reti hanno manifeste somiglianze biologiche, e sono designate per “mimare” il comportamento della corteccia cerebrale nel trattamento dei dati sensoriali. L’applicazione di queste reti permette di completare l’analisi dei dati e di definire il ruolo giocato da ogni sensore del dispositivo per descrivere l’analita in esame. Scopo ultimo dello strumento è quello di riuscire a realizzare tramite la rete neurale tra i diversi dipartimenti dotati dello strumento un link diretto per il continuo confronto dei dati acquisiti con lo stesso tipo di sensore. Una sorta di banca dati, paragonabile alla lunga con le note librerie di spettrometria di massa.

Le prove eseguite inizialmente prevedevano sostanze organiche elementari, i solventi più comuni, gli odori più semplici sia liberi che in miscela tra loro. Le applicazioni principali riguardano l’analisi ambientale e il controllo di qualità degli alimenti. Non ultima l’applicazione sanitaria nell’individuazione di differenti patologie sulla base della determinazione di diverse impronte olfattive su liquidi biologici di differenti individui.

Anche la Cyrano Sciences ha proposto un suo naso elettronico, chiamandolo opportunamente “CYRANO 320 electronic nose” cercando una via adeguata per digitalizzare ogni odore. Il sensore usato in questo tipo di apparecchiatura è un polimero di carbonio composto da chemiresistori che costituiscono un diodo. L’output complessivo di questo diodo è usato per identificare un analita incognito. Ogni rivelatore del diodo è costituito da un polimero di carbonio conduttivo disperso omogeneamente in un polimero non conduttivo. Quando il rivelatore è esposto ad un analita in fase vapore la matrice polimerica agisce come una spugna e “si rigonfia” mentre lo assorbe. L’aumento in volume è simultaneo ad un aumento di resistenza. Quando l’analita viene rimosso, la spugna polimerica si secca. La relazione tra variazione di volume e resistenza può essere descritta con la teoria della percolazione. La teoria prevede l’interazione tra siti attivi vicinali. Le reti di resistori interagiscono in modo continuo fin tanto che sono connesse, successivamente l’ultimo sistema conduttivo si rompe temporaneamente e il sistema diventa discontinuo. Questo punto di rottura dipende da numerose variabili collegate con l’adsorbimento della sostanza volatile che il sensore sta individuando. La determinazione viene seguita monitorando la variazione della resistenza in funzione del tempo. Assorbendo l’analita con diversi matrici polimeriche si ottengono delle mappe di assorbimento del composto. La determinazione analitica viene completata da un’elaborazione dati.

Un sito** internet elenca le diverse aziende e gruppi di ricerca che lavorano per realizzare o implementare le proprietà di dispositivi sensoriali: la differenza riguarda essenzialmente la scelta dei sensori che attualmente sono quasi sempre trasduttori (come QMB*** o SAW) oppure chemiresistori (basati su ossidi metallici o polimeri conduttori).

Caratteristica comune dei cosiddetti “nasi elettronici” è la discriminazione (risposta aspecifica) fornita da un insieme di sensori esposti contemporaneamente alla miscela in esame.

Elaborando successivamente i dati acquisiti con un algoritmo statistico si può associare un nuovo odore, e quindi un’impronta di segnale, ad un insieme di odori e ad impronte già note.

La sensoristica sempre più all’avanguardia ha continuato a studiare nuovi possibili sensori per ampliare il range delle determinazioni e il campo di applicabilità. La comunità europea dinanzi ad una vera e propria fioritura di brevetti si è trovata costretta a stilare un regolamento con le normative necessarie per un confronto tra i diversi dispositivi per stabilire infine le condizioni e i limiti d’impiego. Lo scopo ultimo è anche quello di realizzare una vera e propria “rete neurale” simile ad internet o che ci si affianchi per connettere i diversi dispositivi e creare una crescente banca dati di risultati confrontabili tra i diversi laboratori che utilizzano questi strumenti. La difficoltà principale è l’uniformazione dei dati che essendo il prodotto di strumenti che non agiscono sulle stesse grandezze non sono confrontabili direttamente senza trovare un sistema di riferimento a cui tutti convertono i propri risultati.

Tuttavia, in Europa esiste la rete NOSE (network on artificial olfactory sensing) il cui scopo è collegare tra i diversi enti, istituti, laboratori e gruppi scientifici sia nel campo universitario che in quello industriale, che sono interessati a queste tematiche. Quindi la rete NOSE cerca anche di promuovere la normazione di queste tecniche.

Il sito www.europa.eu.int rappresenta uno dei sistemi di unione di progetti di ricerca e contatto di reti neurali di diversi interlaboratori dispersi sul territorio europeo. Nell’area progetti si possono già individuare le prime applicazioni di queste tecniche sensoriali, soprattutto per l’analisi degli alimenti e dell’ambiente.

Il sito www.nose.uia.ac.be è un sito in cui si possono seguire le attività eseguite con questi sensori, i progetti, le applicazioni e le ultime tecnologie proposte per il loro utilizzo. Si presenta anche una sessione disposta per la realizzazione delle reti neurali con scopi e obiettivi della rete stessa.

* NOTA:Una rete neurale è costituita da un gran numero di elementi di elaborazione interconnessi in grado di cooperare nella risoluzione dei problemi specifici di complessità troppo elevata per le tecnologie informatiche tradizionali. La problematica specifica dell’applicazione della rete neurale si presenta in particolare per quelle determinate situazioni in cui non esiste un algoritmo risolvente oppure è troppo complesso da determinare. L’ “apprendimento” di una rete neurale è basato sui processi simili a quelli dei sistemi biologici, quali le modifiche delle connessioni sinaptiche tra i neuroni. Una simile elaborazione del segnale consente il riconoscimento dell’odore per confronto con altri dati in memoria.

** http://sch-www.uia.ac.be/struct/review/research@sales.html

*** I trasduttori QMB sono quarzi con legate delle metalloporfirine, il cui funzionamento è basato sulla variazione di frequenza rispetto alla frequenza di oscillazione fondamentale in seguito all’adsorbimento di molecole dalla fase gassosa. L’assorbimento o desorbimento di molecole corrisponde alla variazione di frequenza caratteristica della sostanza adsorbita, descritta dalla relazione di Sauerbrey: Df = – Cf f02 Dm A-1, dove A è la superficie ricoperta dalla porfirina, Cf è la sensibilità di massa costante e f0 è la frequenza fondamentale. La sensibilità chimica è assicurata ricoprendo la superficie del quarzo con la sostanza chimica adeguata.

Le relazioni fra l’indagine chimica e le percezioni sensoriali umane

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di Luigi Campanella, ex presidente SCI

La comunità scientifica ha messo a punto negli anni moltissimi strumenti di misura, affinandoli e migliorandoli  sempre di più, con lo scopo di renderli capaci di esprimere in modo quantitativo e riproducibile le funzioni legate alle percezioni sensoriali dell’uomo. L’evoluzione tecnologica ed elettronica ha permesso l’ottimizzazione delle prestazioni degli organi di senso in termini di risoluzione, sensibilità, prontezza e campo di operazioni.
Gli esseri umani interagiscono con l’ambiente circostante attraverso particolari interfaccia chiamati sensi che possono essere divisi in due gruppi: quelli che rilevano quantità fisiche e quelli che rilevano quantità chimiche. L’interfaccia di tipo fisico (collegato con acustica, ottica, temperatura e interazioni meccaniche) è ben conosciuta e dispone di “controparte artificiale”. Dall’altro lato, l’interfaccia chimica (olfatto e gusto) sebbene sia ben descritta in letteratura, presenta alcuni aspetti sui suoi principi di funzionamento psicologici che non sono ancora del tutto chiari.

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Pietro_Paolini_-_Allegoria dei cinque sensi Museo di Baltimora

 

I sensi collegati al cosiddetto interfaccia fisico sono inoltre adeguatamente elaborati, verbalmente espressi, stabilmente memorizzati e completamente comunicati. Al contrario, le informazioni chimiche, a partire dal naso e dalla lingua, sono circondate da concetti vaghi e questo si riflette nella scarsa descrizione e capacità di memorizzazione nel riportare un’esperienza di gusto o una olfattiva. Il mondo animale ha sviluppato moltissimo la sensorialità chimica, mentre l’uomo ha aumentato l’interfaccia fisico, lasciando pochi dettagli di quello chimico, escludendo l’acquisizione inconscia.
Le moderne tecnologie e i computer, sempre più sofisticati, hanno agito da catalizzatori dei tempi d’analisi oltre che da agenti di implemento delle reali possibilità di calcolo e di studio delle problematiche affrontate.

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Gerard de Lairesse – Allegoria dei cinque sensi

Basti pensare al microscopio elettronico come emblema di uno sviluppo del campo visivo. E per il campo acustico è possibile fare riferimento alla scansione di un suono come spettro di ben identificabili frequenze. Per il campo del tatto le valutazioni quantitative sono correlate con le proprietà di resistenza meccanica ed elasticità dei materiali.
Nel tempo le tecniche si sono affinate, migliorandosi e consentendo maggiori campi di applicazione. Restavano fuori dalle percezioni sensoriali prese in considerazione due sensi: olfatto e gusto.
A causa di queste difficoltà intrinseche di comprensione della natura stessa di questi sensi, per molti anni si sono sviluppate solo ricerche sporadiche per ipotizzare la realizzazione di un dispositivo sensoriale elettronico. E solo verso la fine degli anni ottanta si è arrivati  a dispositivi concreti che realmente potessero essere utilizzati.

Il meccanismo biologico, attraverso il quale l’uomo sfrutta la capacità olfattiva, è costituito da passaggi complessi basati sull’individuazione degli odori tramite confronto con gli odori precedentemente classificati dalla memoria olfattiva.
L’interesse per questo “senso” così importante investiva ogni campo. Dal settore alimentare, a quello industriale, soprattutto per quello che concerne le ripercussioni ambientale, fino a quello medico sempre più bisognoso di un apporto significativo dalle comunità scientifiche nei propri rispettivi settori per apprendere e utilizzare tecniche di analisi innovative volte allo screening delle differenti patologie in modo da agire tempestivamente sul paziente migliorando la qualità della vita stessa.
I metodi “olfattometrici” consistono nel sottoporre ad un gruppo di persone opportunamente scelte (panel) la miscela odorigena a diversi livelli di diluizione. La determinazione presenta una certa riproducibilità e ripetibilità ma ha comunque limitata applicazione per la scarsa selettività e la difficoltà riscontrata in presenza di basse concentrazioni di odori.
Per valutare e gestire le emissioni odorigene è necessario quantificarle il meno soggettivamente possibile, infatti gli odori essendo percezioni sensoriali si prestano solo approssimativamente ad una loro misurazione sperimentale.
I metodi chimici quindi la ricerca analitica delle molecole odorigene soffre molto dei limiti di rilevabilità di composti dalla soglia olfattiva bassissima, come  i mercaptani. Non è inoltre possibile determinabile un potenziale odorigeno di sostanze presenti in miscele a causa di probabili effetti sinergici, mascheranti o esaltanti. La possibilità della valutazione dell’odore con un analizzatore sensoriale rappresenta una significativa novità.
La valutazione degli odori può quindi essere effettuata tramite metodiche olfattometriche, basate sulla percezione olfattiva di un panel di rivelatori o sulla risposta di un naso elettronico, o infine tramite metodiche analitiche.
Un discorso prettamente analogo si può fare per le sensazioni legate al gusto.
La possibilità di sfruttare l’uso di sensori opportuni per qualificare gli odori era già stata vagliata in campo scientifico nel 1920 da Zwaardemarker e Hogewind, i quali constatarono che una misurazione degli odori potesse essere effettuata seguendo l’andamento della carica elettrica su un sottile spruzzo d’acqua che conteneva sostanze odoranti in soluzione. Non furono peraltro in grado di sviluppare il progetto.

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Pavone servito con tutte le piume, Dettaglio dell’allegoria dell’udito, del gusto e del tatto di Jan Brueghel il Vecchio

Solo nel 1958 Hartman e Wilkans riuscirono ad approntare un sensore amperometrico come strumento sperimentale per la determinazione degli odori. Il sensore era costituito da un microelettrodo di metallo in contatto con la superficie di un’asticella saturata con un elettrolita diluito. Successivamente riuscirono a realizzare uno strumento contenente otto diversi sensori (con elettrodi metallici diversi) che fornivano risposte differenti. Il loro limite fu l’incapacità di elaborare i dati ricavati in modo opportuno.
Nel 1961 Moncrieff arrivò agli stessi risultati partendo da un approccio differente. Sfruttò nei suoi esperimenti un termistore rivestito con diversi polimeri, gelatine, grassi vegetali e lo strumento complessivo basandosi su sensori con più rivestimenti era in grado di discriminare un elevato numero di odori. (1961, by the American Physiological Society Article Special Communication An instrument for measuring and classifying odors R. W. Moncrieff An instrument for measuring and classifying odors.)
Qualche anno dopo, nel 1965 Buck e Trotter misero a punto altri sensori basati sulla variazione di conducibilità o di potenziale. Ma un vero e proprio naso elettronico costituito da una matrice di sensori per la individuazione e classificazione degli odori fu elaborato solo venti anni dopo, con esattezza nel 1982 da Persaud, Dodd e Warwic e nel 1986 da Ikegani in Giappone. Lo strumento proposto da Persaud e Dodd (Persaud, Krishna; Dodd, George (1982). “Analysis of discrimination mechanisms in the mammalian olfactory system using a model nose”. Nature 299 (5881): 352–5. ) si basava sull’assunto che un allineamento di sensori chimici non selettivi, combinato con un sistema di elaborazione dati adatto, potesse “mimare” le funzioni dell’olfatto. E per l’altra interfaccia chimica, la realizzazione di alcuni nasi elettronici ha aperto la strada a svariate applicazioni pratiche e nuove possibilità in moltissimi campi dove gli odori giocavano un ruolo chiave (Gardner e Bartlett, 1992; Kress-Rogers, 1996; Hierlemann, 1996).
Oggigiorno numerosi gruppi scientifici stanno studiando e cercando di mettere a punto dispositivi commerciali. Oggi sono presenti sul mercato dei modelli di naso elettronico di gran lunga più sofisticati dei prototipi originali. Il principio su cui si basa la loro costruzione è quello di “ricalcare” concettualmente la fisiologia dell’apparato olfattivo.

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Cyranose 320 with labelling

L’olfatto umano è basato su una complessa rete di neuroni e recettori che convergono, tramite il nervo olfattivo, il segnale al sistema libico del cervello. Innescato dall’interazione delle molecole odorigene in fase vapore con i recettori situati nell’area olfattoria, il segnale giunge al cervello dove viene classificato ed eventualmente riconosciuto solo nel caso in cui l’odore sia già stato precedentemente “registrato”, ovvero l’odore deve essere noto all’individuo. Infatti non è presente nell’area olfattoria uno specifico sensore per ciascuno odore, i quali molte volte si presentano in miscele di differenti sostanze. Dopo aver annusato un odore qualsiasi, vengono stimolati numerosi recettori e coinvolti diversi neuroni e il cervello secondo un appropriato paragone ricostruisce una “electrical signature” (firma elettrica) o meglio una “impronta digitale dell’odore” che viene confrontata con quanto già in memoria, portando al riconoscimento dell’odore se già avvertito in precedenza. Per queste ragioni nel realizzare un naso elettronico si utilizza una matrice di sensori chimici e un sistema informatico di riconoscimento, in genere basato su reti neurali. La matrice di sensori chimici “emula” le proteine recettrici del naso.
Realizzare un’impronta olfattiva o un dato “qualitativo” (liberato della soggettività della misura stessa) che caratterizzasse ulteriormente le sostanze rappresentava un valore aggiunto ad una tradizionale analisi chimica. In questa ottica era inevitabile che la tecnologia finalizzasse i suoi sforzi alla messa a punto di dispositivi in grado di fornire risposte oggettive laddove l’uomo riusciva a collezionare parametri soggettivi e non riproducibili.
Lo sviluppo di nuovi sensori, e il loro uso stesso ha concesso la realizzazione di nasi elettronici e lingue elettroniche che consentivano analisi su matrici complesse allo stato liquido e gassoso.
Alle tecniche più largamente usate, come le tecniche cromatografiche che fornivano a livello qualitativo e quantitativo i differenti componenti presenti in una miscela incognita, rappresentano una valida alternativa i sensori elettronici che conducono ad una più ampia caratterizzazione del campione in esame fornendo una cosiddetta “impronta digitale” correlata alla composizione della matrice stessa.

per approfondire:

http://www.silae.it/files/Food%20analysis%20using%20artificia%20sense.pdf

Naso elettronico: botta e risposta.

a cura di Luigi Campanella, ex Presidente SCI

Il Naso Elettronico è un dispositivo di analisi che permette di caratterizzare un Alimento e valutarne le qualità
Per che cosa è usato un Naso Elettronico?
E’ usato come strumento di screening nel controllo di qualità. Screening significa trovare un modo rapido per sapere se un prodotto è fuori specifica o meno, cioè se esso differisce o no dallo standard. Se lo fosse questo indicherebbe una disfunzione nel processo produttivo. Una volta che il problema è stato rilevato, le appropriate azioni possono essere prese. Bloccando un processo malfunzionante il prima possibile, si salveranno tempo e denaro.

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Come è ottenuta questa informazione?
Questa informazione è ottenuta misurando l’odore del prodotto. L’odore è la proprietà sensoriale percettibile dal sistema olfattivo, quando si annusano i composti volatili rilasciati dalle sostanze. E’ così che le sostanze volatili rilasciate dalle sostanze sono misurate dal Naso Elettronico; essi formano una immagine del prodotto. Solo misurando questa “immagine”, molte informazioni possono essere ottenute. Noi possiamo, per esempio, riconoscere una aroma di caffè senza vederlo o assaggiarlo.

Di cosa consiste un Naso Elettronico?
Un parallelo può essere fatto tra un Naso Elettronico ed il nostro Naso, per capire il principio generale operativo, anche se il Naso Elettronico non simula esattamente il Naso Umano. Così come il sistema sensoriale umano, esso comprende
– I sensori chimici, cioè i recettori olfattivi per l’uomo
– Un sistema di processo dei dati, cioè il cervello per l’uomo

L’aspetto fondamentale da chiarire è che tali sensori, dovendo essere
inseriti in una matrice, non dovranno possedere specificità nei confronti di una determinata specie chimica ma, selettivita’ parziale ottenendo in tal modo una risposta mirata ad un gruppo oppure ad una classe di gas; perciò sarà la sovrapposizione delle diverse sensibilità e selettività a fornire informazioni sufficienti per riconoscimento degli odori

Un naso elettronico è costituito da:
– un hardware, nella forma di sensori a gas specifici e strumenti elettronici associati ;
– un software, per il trattamento delle risposte dei sensori periferici
(paragonando, infatti , quest’ultime con i dati immagazzinati nella memoria, è possibile l’identificazione prima e l’interpretazione poi in termini simili a quelli adottati da un vero naso umano).

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Come funziona?
Ogni sostanza che ha un aroma, ad esempio il caffè, produce una nuvola di composti chimici volatili.

Naso Umano:
Questi composti chimici entrano nel nostro naso e reagiscono con la nostra regione olfattiva. Le reazioni che avvengono nei nostri sensori nervosi mandano messaggi al cervello. Questi messaggi sono poi decodificati, in quello che noi conosciamo come aroma. Noi possiamo paragonarlo agli altri aromi memorizzati nella nostra memoria, e trovare se esiste una qualche differenza, o associarlo ad uno dei conosciuti.

Naso Elettronico:
Questi composti chimici entrano nella cella dei sensori. Ogni sensore genera un segnale. I segnali di tutti I sensori formano un modello, che e’ la firma dell’ odore. Un appropriato metodo di processo dei dati, abilita ad interpretare la firma, per paragonarla con le firme già conosciute.

Come viene eseguita la misura?

Il prodotto e’ posto in una vial, che e’ sigillata ermeticamente con una membrana. Il campione libera i composti nell’aria della vial. Questo rilascio dei composti volatili può essere aumentato riscaldando il campione fino a 65°C. Un ago buca la membrana della vial, e scende in essa. L’ aria e’ aspirata attraverso l’ ago, e passa sopra i sensori. I segnali elettrici provenienti dalla serie di sensori sono registrati dal Computer, che e’ connesso al Naso Elettronico. I segnali dei sensori sono poi analizzati con appropriati metodi di processo dei dati (PCA, PCH, PLS, ANN). Il metodo di lavoro prevede due passi:
– Costruzione della memoria olfattiva – Lo strumento non conosce alcun aroma. Il primo passo e’ quello di insegnare al Naso Elettronico a riconoscere i nostri aromi di riferimento. Questa memoria può essere costruita per Classi, cioè associando all’ aroma una descrizione, o per Quantità, cioè indicando la quantità che può essere, ad esempio, una concentrazione o un peso di un descrittore.
– Predizione degli incogniti – Proiettando la misura di un incognito sulla memoria olfattiva costruita, si avrà una predizione di Classe o Quantità dell’aroma incognito. I risultati possono essere facilmente visualizzati in modo grafico o tabellare.

Da quanto detto si intuisce come il naso elettronico possa dare luogo ad una serie di devices sperimentali diversi ed inoltre come sia in grado di soddisfare molte applicazioni :

1. controlli di qualità per prodotti di largo consumo : generi alimentari
2. monitoraggio nelle applicazioni biotecnologiche
3. analisi della presenza di sangue nelle urine
4. monitoraggio inquinamento ambientale : trattamento delle acque di scolo
5. applicazioni in campo biomedico
6. utilizzo per la ricerca degli esplosivi , nella difesa militare
7. ricerca di tracce di odori in una matrice odorosa es: cocaina in un sacco di caffè

Lo scopo del futuro lavoro di ricerca sara’ quello di ottenere una fingerprint attraverso un naso elettronico costituito da un unico sensore e non da array come detto in precedenza, in cui variano i parametri sperimentali.( temp. ;lunghezza d. irradiante, etc )