Il naso elettronico è un dispositivo complesso dotato di una struttura multisensore in grado di emulare il sistema olfattivo dell’essere umano: una matrice di sensori chimici, a bassa selettività, fornisce un’impronta univoca dell’odore, consentendone il successivo riconoscimento. Il naso elettronico risulta di notevole utilità in molteplici settori e potrebbe in futuro rivelarsi un valido aiuto in campo medico relativamente alla prevenzione dei tumori.

Naso elettronico introduzione

L’importanza del naso elettronico è legata alla necessità di effettuare rilevazioni e misure di odori con un dispositivo a basso costo e in tempo quasi reale, evitando di fare ricorso a sistemi di misura proibitivi per costo e tempi di analisi quali, ad esempio, il Gas Cromatografo.

STRUTTURA E FUNZIONAMENTO DEL DISPOSITIVO NASO ELETTRONICO

A livello strutturale il naso elettronico comprende tre parti fondamentali: la matrice di sensori chimici per la rilevazione dell’odore, il sistema di elaborazione delle risposte dei sensori e il sistema di riconoscimento e classificazione degli odori.

La matrice multisensore è collocata in un’apposita camera di misura; quest’ultima è realizzata in modo da ridurre le variazioni di temperatura al suo interno e ha, solitamente, un volume molto ridotto al fine di evitare che le risposte dei sensori siano influenzate dalla loro posizione nella camera.

Per effettuare un ciclo di misura completo si immette nella camera di misura uno specifico gas di riferimento (solitamente azoto), in modo che le risposte dei sensori si mantengano stazionarie. Successivamente si inietta, in modo controllato, il gas da analizzare, in modo da produrre un fenomeno transitorio nelle risposte dei sensori; tale transitorio, dopo un certo tempo, tende ad esaurirsi e si stabilisce una condizione di regime. Infine si inietta nuovamente azoto nella camera di misura, al fine di riportare le risposte dei sensori alla condizione di riferimento.

Il sistema di elaborazione (un comune Personal Computer) provvede a raccogliere i dati relativi alle risposte dei sensori ed estrae alcuni parametri caratteristici della miscela analizzata costruendo, in tal modo, un’impronta univoca dell’odore. Il sistema di riconoscimento e classificazione degli odori, infine, è costituito da un semplice SW classificatore che, a partire dalle informazioni contenute in un apposito data base, consente di assegnare un nome e un livello di concentrazione alla miscela gassosa presa in esame.

I SENSORI IMPIEGATI NEL NASO ELETTRONICO

La matrice multisensore del naso elettronico può essere realizzata con diverse tipologie di sensori. In particolare, tra i sensori maggiormente utilizzati, troviamo le cosiddette microbilance al quarzo (Quartz Crystal Microbalance, QCM); tali sensori sono costituiti da un risonatore al quarzo coperto da un materiale chimicamente interattivo (ad esempio metallo-porfirine) e forniscono un segnale elettrico in seguito all’assorbimento di molecole di gas.
Nel naso elettronico le QCM sono poste in risonanza imponendo una tensione non nulla agli elettrodi del risonatore e determinando, in tal modo, vibrazioni interne al cristallo di quarzo. Tali vibrazioni sono caratterizzate da una specifica frequenza di risonanza (f0), il cui valore dipende sia dal cristallo di quarzo che dal film sensibile superficiale. Quando il sensore è posto a contatto con una specie chimica in fase gassosa, le molecole del gas vengono assorbite dalla strato sensibile, determinando una variazione della massa del materiale chimicamente interattivo, con conseguente variazione della frequenza di oscillazione del sensore. La relazione che lega la variazione di frequenza alla variazione di massa è espressa tramite la legge di Sauerbrey:

dove ∆f rappresenta lo shift di frequenza dovuto all’assorbimento di gas, f0 la frequenza di oscillazione della QCM prima dell’assorbimento di gas, f1 la frequenza di oscillazione della QCM dopo la variazione di massa, ∆m la variazione di massa, A l’area del cristallo sensibile alla massa (generalmente coincidente con l’area degli elettrodi), ρ la densità del quarzo (2.648 g/cm^3) e μ la mobilità del quarzo (2.947*10^11g/(cm*s^2 )).
A fronte di quanto appena esposto, dunque, misurando lo shift di frequenza della QCM in presenza di una specie gassosa, è possibile ottenere una risposta analiticamente elaborabile [1].

APPLICAZIONI E SVILUPPI FUTURI DEL NASO ELETTRONICO

Il naso elettronico viene utilizzato prevalentemente nel settore alimentare per il monitoraggio costante della qualità degli alimenti e, soprattutto, per la rilevazione di possibili casi di frode [2].

I primi esperimenti in campo alimentare hanno validamente dimostrato come il sistema olfattivo artificiale possa essere comparato con l’olfatto naturale degli esperti addetti a testare periodicamente la qualità degli alimenti [3,4]. Oltre all’industria alimentare si assiste, negli ultimi anni, a un notevole incremento dell’impiego del naso elettronico in molteplici settori (farmaceutico, cosmetico…), ma, soprattutto, si comincia a utilizzare il dispositivo anche nel campo della medicina per la rivelazione di specifiche infezioni batteriche. I risultati ottenuti finora inducono a pensare che, in futuro, il dispositivo potrebbe rivestire un ruolo di primaria importanza nella prevenzione dei tumori, dal momento che risulta possibile ricavare un’impronta univoca dell’espirato umano che, confrontata con quella di un campione sano di riferimento, potrebbe permettere di rivelare la presenza della malattia.
Un altro importante obiettivo da raggiungere, infine, è quello di rendere possibile la trasmissione a distanza dell’odore, in modo da consentire lo sviluppo della telemedicina.

RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI naso elettronico

[1] Vasile Mihai Mecea “From Quartz Crystal Microbalance to Fundamental Principles of Mass Measurements”.
[2] Di Natale C., Macagnano A., Davide F., D’Amico A., Paolesse R., Boschi T., Faccio M., Ferri G., “An electronic nose for food analysis”.
[3] Di Natale C., Macagnano A., Martinelli E., Paolesse R., Proietti E., D’Amico A., “The evaluation of quality of post-harvest oranges and apples by means of an electronic nose”.
[4] Di Natale C., Macagnano A., Martinelli E., Paolesse R., Proietti E., D’Amico A., Castellari L., Campani S. “Electronic nose based investigation of the sensorial properties of peaches and nectarines”.

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