Che fiuto! Merito del naso elettronico
di Nicole Ticchi
- Materie coinvolte: Biologia, Chimica
Che fiuto! Merito del naso elettronico
Il più nobile dei sensi, lo sappiamo bene, è l’olfatto. C’è chi ha un naso fine e sente proprio tutto, chi non ha un gran fiuto e chi, purtroppo, si trova anche per lunghi periodi senza poter percepire alcun odore. Lo abbiamo visto anche durante la pandemia: proprio quel senso che diamo spesso così per scontato può venire meno improvvisamente a causa di infezioni da coronavirus che coinvolgono le terminazioni nervose responsabili della trasduzione del segnale odoroso. Risultato: proprio due delle porte di accesso sul mondo che abbiamo a disposizione vengono temporaneamente sbarrate. Oltre alla disperazione momentanea per l’impossibilità di provare piacere quando mangiamo il nostro piatto preferito, c’è da considerare che l’olfatto è anche un senso importante per la nostra sicurezza: non sentire odori di sostanze potenzialmente pericolose ci espone maggiormente a rischi, anche se oggi abbiamo altri sistemi a nostro supporto.
Il naso è un organo piuttosto complesso, con un’architettura ben precisa e, soprattutto, una ben articolata innervazione: non sfugge proprio nulla. Ma è stata inventata anche una versione elettronica di questo organo, uno strumento capace di svolgere diverse funzioni di percezione di alcune molecole odorose e di tradurre l’intensità fornendo informazioni numeriche quantitative. Si chiama, appunto, naso elettronico e viene sempre più utilizzato in diversi rami dell’industria per sostituire, laddove possibile, tecniche analitiche più invasive, diminuendo così costi e tempi delle procedure, ma anche il loro impatto ambientale.
Il naso è un organo piuttosto complesso, con un’architettura ben precisa e, soprattutto, una ben articolata innervazione: non sfugge proprio nulla. Ma è stata inventata anche una versione elettronica di questo organo, uno strumento capace di svolgere diverse funzioni di percezione di alcune molecole odorose e di tradurre l’intensità fornendo informazioni numeriche quantitative. Si chiama, appunto, naso elettronico e viene sempre più utilizzato in diversi rami dell’industria per sostituire, laddove possibile, tecniche analitiche più invasive, diminuendo così costi e tempi delle procedure, ma anche il loro impatto ambientale.
Cos’è e come funziona il naso elettronico
Si tratta di uno strumento dall’utilizzo semplice, ma con un funzionamento molto sofisticato, grazie all’azione di componenti che permettono di ricostruire impronte aromatiche anche molto complesse.
Oltre al sistema di captazione delle molecole volatili responsabili dell’odore, i sensori rappresentano il vero cuore pulsante dello strumento. Il loro funzionamento può essere basato sulla variazione di conducibilità o di massa, su segnali ottici o elettrochimici.
Le molecole volatili responsabili dell’odore interagiscono con la superficie del sensore e provocano un cambiamento in alcune proprietà chimico-fisiche: la variazione della grandezza fisica percepita dal sensore viene poi trasformata in un segnale elettrico che può essere elaborato in seguito. Le variazioni possono essere riferite, nella maggior parte dei casi, alla conducibilità, all’intensità della radiazione luminosa o alla resistenza.
Quali e quanti sensori sono impiegati nel naso elettronico dipende dallo strumento e dalla specifica applicazione in cui è coinvolto: il numero di sensori può essere compreso da un minimo di 4 fino a 32, anche se la ricerca sta elaborando nuovi strumenti dove la dimensione dei sensori è così ridotta da potersi moltiplicare fino a centinaia di volte. La conseguenza è che la sensibilità e la varietà di molecole che si possono studiare sono considerevoli.
A seconda del principio di funzionamento dei diversi sensori, si possono ottenere segnali che possono essere confrontati tra loro per capire se ci sono differenze tra i vari campioni. Nel caso dei sensori a variazione di conducibilità, per esempio, vengono utilizzati ossidi di metalli semiconduttori come lo stagno o lo zinco: a seconda che questi interagiscano con l’ossigeno dell’aria standard di riferimento o con il gas contenente un odore, trasmettono un segnale diverso, elaborato da un software per restituire un grafico utile all’analisi dell’impronta olfattiva.
Oltre al sistema di captazione delle molecole volatili responsabili dell’odore, i sensori rappresentano il vero cuore pulsante dello strumento. Il loro funzionamento può essere basato sulla variazione di conducibilità o di massa, su segnali ottici o elettrochimici.
Le molecole volatili responsabili dell’odore interagiscono con la superficie del sensore e provocano un cambiamento in alcune proprietà chimico-fisiche: la variazione della grandezza fisica percepita dal sensore viene poi trasformata in un segnale elettrico che può essere elaborato in seguito. Le variazioni possono essere riferite, nella maggior parte dei casi, alla conducibilità, all’intensità della radiazione luminosa o alla resistenza.
Quali e quanti sensori sono impiegati nel naso elettronico dipende dallo strumento e dalla specifica applicazione in cui è coinvolto: il numero di sensori può essere compreso da un minimo di 4 fino a 32, anche se la ricerca sta elaborando nuovi strumenti dove la dimensione dei sensori è così ridotta da potersi moltiplicare fino a centinaia di volte. La conseguenza è che la sensibilità e la varietà di molecole che si possono studiare sono considerevoli.
A seconda del principio di funzionamento dei diversi sensori, si possono ottenere segnali che possono essere confrontati tra loro per capire se ci sono differenze tra i vari campioni. Nel caso dei sensori a variazione di conducibilità, per esempio, vengono utilizzati ossidi di metalli semiconduttori come lo stagno o lo zinco: a seconda che questi interagiscano con l’ossigeno dell’aria standard di riferimento o con il gas contenente un odore, trasmettono un segnale diverso, elaborato da un software per restituire un grafico utile all’analisi dell’impronta olfattiva.
Quali sono le applicazioni?
Partiamo da qualcosa di molto vicino a noi. Come si fa a capire se un frutto è maturo? Una delle possibilità più immediate, soprattutto se stiamo scegliendo quale comprare, è toccarlo per sentirne la consistenza. Si tratta di un metodo decisamente rude e soggettivo e, soprattutto, non replicabile su larga scala: se ci troviamo all’interno di uno stabilimento che deve smistare grandi quantità di frutti dopo la raccolta, dividendoli a seconda del fatto che siano maturi o meno, toccarli tutti non è un’opzione da considerare. Anche analizzarli chimicamente è una delle possibilità da mettere sul piatto, ma con tempi lunghi e un costo molto maggiore e poco sostenibile. In questo caso il naso elettronico può fare la differenza: è una tecnica non invasiva, piuttosto veloce e con una produzione di scarti praticamente nulla. Nel caso della frutta matura, per esempio, una delle sostanze che si può “annusare” quantitativamente è l’etilene, una molecola che funge da ormone del processo di crescita, inducendo appunto la maturazione. A temperatura ambiente è in forma di gas, incolore e con un odore dolciastro: tutti i frutti lo producono, alcuni solo fino al momento della raccolta, altri anche dopo. A seconda della quantità percepita dal naso elettronico possiamo quindi determinare il grado di maturazione di un frutto.
Il comparto alimentare non è l’unico a beneficiare di questo strumento: anche a livello ambientale è possibile sfruttarne l’utilizzo, per esempio per monitorare gli odori prodotti da impianti di trasformazione e da discariche o i livelli di inquinamento dell’aria causati da sostanze organiche e inorganiche, come il fumo di sigarette o gli inquinanti provenienti dai gas di scarico delle auto. Un tipo di applicazione che assume sempre di più una valenza anche legale e che necessita quindi di continue regolamentazioni per assicurare che i valori rilevati siano corretti: proprio per questo è molto importante l’esecuzione e il controllo del processo di taratura dello strumento, che segue precise norme ufficiali.
Altre molecole interessanti da rilevare con questa tecnica sono anche quelle emesse dai fluidi biologici o che contraddistinguono alcune patologie. Sempre più studi nell’ambito medico riportano la possibilità di diagnosticare alcune condizioni patologiche o di effettuare controlli di routine “annusando” invece di sfruttare le reazioni chimiche classiche: dal momento che queste ultime sono operazioni che hanno un elevato impatto ambientale, per quantità di rifiuti generati e di reagenti richiesti, sostituire alcune procedure con una tecnica a minor spreco rappresenta una soluzione più sostenibile dal punto di vista ambientale. A patto, ovviamente, che sia attendibile. Esempi? L’analisi dell’impronta olfattiva di fluidi come il sangue, il sudore, la saliva o le urine. Oppure l’analisi del nostro fiato, che già si usa per capire, per esempio, se abbiamo uno scomodo ospite nel nostro stomaco: l’Helicobacter pylori, che provoca reflusso gastroesofageo, acidità e bruciori di stomaco e produce ammoniaca.
Non finisce qui. C’è sempre più interesse per l'analisi di composti organici volatili (VOC) presenti nel respiro nella diagnosi per il cancro. Si tratta infatti di prodotti di degradazione di processi biochimici e la loro composizione può cambiare a causa di processi patologici, come appunto il cancro. Dato che hanno una bassa solubilità nel sangue, si diffondono facilmente nell'aria alveolare e vengono successivamente espulsi attraverso l’espirazione, consentendo facilmente il loro rilevamento. Questo può comportare la possibilità di diagnosticare con largo anticipo alcune condizioni, prima ancora che si sviluppi la malattia in maniera conclamata e poter quindi fornire cure a uno stadio precoce.
Trattandosi di una tecnologia estremamente versatile, la ricerca sta lavorando sull’aumento della sensibilità e sulla semplicità di utilizzo, affinché possa prima o poi diventare uno strumento alla portata di tutti e tutte e possa fungere da soluzione diffusa per uno sviluppo più sostenibile.
Il comparto alimentare non è l’unico a beneficiare di questo strumento: anche a livello ambientale è possibile sfruttarne l’utilizzo, per esempio per monitorare gli odori prodotti da impianti di trasformazione e da discariche o i livelli di inquinamento dell’aria causati da sostanze organiche e inorganiche, come il fumo di sigarette o gli inquinanti provenienti dai gas di scarico delle auto. Un tipo di applicazione che assume sempre di più una valenza anche legale e che necessita quindi di continue regolamentazioni per assicurare che i valori rilevati siano corretti: proprio per questo è molto importante l’esecuzione e il controllo del processo di taratura dello strumento, che segue precise norme ufficiali.
Altre molecole interessanti da rilevare con questa tecnica sono anche quelle emesse dai fluidi biologici o che contraddistinguono alcune patologie. Sempre più studi nell’ambito medico riportano la possibilità di diagnosticare alcune condizioni patologiche o di effettuare controlli di routine “annusando” invece di sfruttare le reazioni chimiche classiche: dal momento che queste ultime sono operazioni che hanno un elevato impatto ambientale, per quantità di rifiuti generati e di reagenti richiesti, sostituire alcune procedure con una tecnica a minor spreco rappresenta una soluzione più sostenibile dal punto di vista ambientale. A patto, ovviamente, che sia attendibile. Esempi? L’analisi dell’impronta olfattiva di fluidi come il sangue, il sudore, la saliva o le urine. Oppure l’analisi del nostro fiato, che già si usa per capire, per esempio, se abbiamo uno scomodo ospite nel nostro stomaco: l’Helicobacter pylori, che provoca reflusso gastroesofageo, acidità e bruciori di stomaco e produce ammoniaca.
Non finisce qui. C’è sempre più interesse per l'analisi di composti organici volatili (VOC) presenti nel respiro nella diagnosi per il cancro. Si tratta infatti di prodotti di degradazione di processi biochimici e la loro composizione può cambiare a causa di processi patologici, come appunto il cancro. Dato che hanno una bassa solubilità nel sangue, si diffondono facilmente nell'aria alveolare e vengono successivamente espulsi attraverso l’espirazione, consentendo facilmente il loro rilevamento. Questo può comportare la possibilità di diagnosticare con largo anticipo alcune condizioni, prima ancora che si sviluppi la malattia in maniera conclamata e poter quindi fornire cure a uno stadio precoce.
Trattandosi di una tecnologia estremamente versatile, la ricerca sta lavorando sull’aumento della sensibilità e sulla semplicità di utilizzo, affinché possa prima o poi diventare uno strumento alla portata di tutti e tutte e possa fungere da soluzione diffusa per uno sviluppo più sostenibile.
Attività per la classe
Proponi alla classe una ricerca sul naso elettronico con due focus diversi:
- Quali tipi di sensori si usano, come funzionano e da quali componenti chimiche sono composti?
- Quali molecole vengono “annusate” in ambito alimentare e per quale scopo?
