Venerdì, 02 Febbraio 2018 15:48

Il nuovo scanner chimico, il naso elettronico

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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.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” ei sensori i “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 campioni 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.

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 minimi quadrati? 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 contengono 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 e 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.

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