Il naso elettronico: le ultime innovazioni del settore olfattometrico
La Ricerca e Sviluppo sugli Analizzatori di Odori (molesti e non)

*Prof. Corrado Di Natale, Università di Roma Tor Vergata, Dipartimento di Ingegneria Elettronica Di seguito riportiamo un abstract dell’intervento tenuto dal Prof. Di Natale durante il convegno sull’olfattometria svoltosi all’Università La Sapienza il 4 maggio 2007

[05/06/2007]
Mai come oggi, considerata l’aumentata sensibilità della popolazione nei confronti delle differenti fonti di inquinamento, si rende necessaria la misurazione degli odori; questa misurazione, essendo però la percezione degli odori un indice normalmente soggettivo nelle persone, ha necessariamente richiesto lo studio del funzionamento del naso come “organo di percezione", per poter implementare a posteriori dei sistemi di misurazione elettronica che fossero recettivi secondo determinati standard.
All’interno del naso vi sono diversi recettori (nell’uomo 388, in un cane 880, in un topo 1037), e queste cellule ricettrici sono composte da geni, completamente identificati, la combinazione dei quali permette l’identificazione di migliaia di odori. Ma in che modo avviene questo meccanismo? I recettori sono parzialmente selettivi, così la multiattivazione a livello dei glomeruli permette l’identificazione dei composti.


Da questa logica deduzione di combinazioni, si è studiata ed ottenuta una tipologia di sensori olfattivi chimici solid-state, che permette, tramite l’interazione di uno stadio interattivo chimico intermedio di trasformare la concentrazione di un dato odore in un segnale elettronico od ottico.


L’essenziale strato intermedio può essere costituito da materiali inorganici (semiconduttori di ossidi metallici, metalli catalitici o altre soluzioni) oppure molecole organiche, che agiscono da “ricognitrici” ( polimeri, metalloporfirine, ciclodestrine ed altre unità organiche). L’interazione con le molecole che necessitano di misurazione può indurre variazioni:
- di massa,
- di dipolo elettrico,
- di energia degli orbitali molecolari,
- di spettro ottico,
- di proprietà di fluorescenza.
In base a questa struttura di progettazione sono stati sviluppati diverse tipologie di sensore chimico:
- trasduttori di massa

- trasduttori di resistenza

- trasduttori di temperatura

- trasduttori sensibili chimicamente basati sugli effetti di campo.


Volendo porre l’attenzione sulla prima tipologia, si può osservare meglio la struttura dei sensori basati su semiconduttori di ossidi di metalli: questi sensori sono basati sulla variazione di conduttività degli ossidi metallici come conseguenza della variazione dell’ossigeno ion-assorbito sulla loro superficie; i composti volatili che si interfacciano con l’ossigeno superficiale e ne variano la concentrazione ion-assorbita, producono segnali. Il meccanismo sensibile è attivato dalle alte temperature ed il grado di sensibilità varia con la temperatura.


Sensori simili possono anche sfruttare le porfirine invece degli ossidi metallici: tali sostanze infatti, si possono interfacciare con le sostanze volatili mediante diversi meccanismi di interazione, tra cui la coordinazione, i legami a ponte d’idrogeno e la polarizzazione. Inoltre la struttura è facilmente modificabile, il che fornisce la possibilità di variare sia la sensibilità che la selettività a seconda dei casi.

Si può quindi verificare che tali sensori forniscono una corrispondenza di rilevazione abbastanza simile a quella degli esseri umani.


Si può quindi valutare ora la struttura del naso elettronico nel suo insieme ed il suo comportamento a confronto con le diverse tipologie di sistema di rilevazione; il naso elettronico “standard” è composto da:
- sistema di campionamento,
- camera di misurazione,
- sensori,
- processori di segnale
- sistema di riconoscimento dei dati rilevati.
Questa struttura permette di unire i dati rilevati chimicamente (concentrazione delle singole specie) ai dati di output dei sensori, fornendo un risultato accurato.

A differenza della gascromatografia, tramite la quale l’odore, filtrato dal mezzo di separazione fornisce, tramite l’output di un solo sensore, la variazione nel tempo di quest’unico segnale, l’Enose (o naso elettronico) permette, grazie alla differente sensibilità e selettività dei suoi molteplici sensori, una rappresentazione precisa dei diversi segnali delle specie che compongono i campioni odorigeni.


La sequenza di misurazione funziona come da immagine seguente:


Le metodiche di analisi dei dati per dei nasi elettronici sono mutuate da altre discipline; la via più semplice di rappresentare i segnali e di compararli è di progettarne la disposizione in piani bidimensionali, determinati dall’analisi dei componenti principali oppure dall’analisi del discriminante lineare; vengono utilizzate inoltre anche altre logiche non-lineari, quali sono le reti neurali e le logiche fuzzy .



Al di là dello standard ormai raggiunto, altri metodi di analisi in via di sviluppo sui quali porre attenzione sono i seguenti:
- tecniche analitiche combinate:
- gascromatografia basata sull’Enose


- fusione di dati multistrumentale

- altri paradigmi biologici:
- il ruolo dell’epitelio


- analisi di dati basata sul funzionamento neurale
- implementazione di nasi elettronici:
- analisi chimico-sensoriale tramite oggetti familiari.

Volendosi principalmente soffermare sull’ultima voce, si può facilmente notare che vi sono diversi dispositivi ottici implementati all’interno di oggetti elettronici largamente diffusi; è stato dimostrato che – mediante uno schermo LCD programmato ed una webcam – si possono “catturare” le variazioni ottiche che avvengono durante durante le ricognizioni molecolari di cui abbiamo trattato. Da qui è stata sviluppata la Computer Screen Photoassisted Technology, la quale funziona e fornisce risultati attendibili come seguentemente illustrato.








Sono inoltre strutturabili alcune “mappe” odorigene tramite il report sensoriale dei singoli abitanti o utenti delle aree in questione, le quali si sviluppano e aggiornano continuamente come la New York City Subway Smell Map .
Da questa analisi dei mezzi si può concludere che:
- il concetto di naso elettronico può essere assimilato per somiglianza al funzionamento del naso umano, ma gli attuali strumenti sono ancora lontani dall’esatto funzionamento della controparte;
- l’utilizzo di queste apparecchiature richiede una attenta progettazione e calibrazione, il che rende necessaria la presenza di campioni e misurazioni di riferimento;
- attualmente si stanno studiando diverse vie di miglioramento delle macchine;
- strumenti elettronici di largo consumo permettono di vagliare nuove vie per ottenere sensori chimici che permettono di misurare proprietà ottiche (assorbanza e luminescenza); ciò fornisce nuovi mezzi per aumentare la diffusione della capacità di analisi.
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