Il naso elettronico è definito come uno strumento che comprende un insieme (array) di sensori elettrochimici parzialmente specifici e un appropriato sistema di riconoscimento dell’impronta olfattiva (pattern recognition system), capace di riconoscere odori semplici o complessi. Può essere definito come un sistema biomimetico, progettato cioè per imitare il funzionamento dei sistemi olfattivi che ritroviamo in natura come quello dei mammiferi o più specificatamente quello umano. Come il naso umano, il naso elettronico non esegue una speciazione chimica dell’odore analizzato, per cui non è in grado di identificarne le singole molecole che lo compongono, ma l’insieme di sensori produce una sorta di “impronta olfattiva”, che può essere classificata sulla base di un database di riferimento acquisito dallo strumento in una preliminare fase di addestramento.
Grazie alle potenzialità dello strumento di fornire analisi dell’odore in maniera continuativa e con un costo relativamente contenuto, dal momento della sua comparsa, alla fine degli anni ’80 del secolo scorso, le applicazioni del naso elettronico sono state studiate e proposte in diversi ambiti, quali:
l'industria alimentare, per il riconoscimento di alimenti di diversa provenienza (anti-sofisticazione) o il monitoraggio della freschezza o della shelf-life dei prodotti alimentari; il settore biomedicale, prevalentemente per la diagnosi non invasiva di diverse patologie - oncologiche e non - tramite l'analisi dell'odore di fluidi biologici; l'ambito ambientale, per il monitoraggio in continuo delle emissioni odorigene emesse da diverse tipologie di realtà industriali e di trattamento rifiuti. In questo ambito, i nasi elettronici sono particolarmente interessanti per la loro capacità unica di fornire una misura continua degli odori, e di riconoscerne la provenienza, motivo per cui questo è l’unico settore per cui vi sono stati dei tentativi concreti di standardizzazione della tecnologia; altri settori, quali ad esempio quello del controllo di processo o dell'industria cosmetica.
Nonostante la rapida espansione degli studi riguardanti le possibilità di applicazione dei nasi elettronici, nella pratica, le loro applicazioni industriali su larga scala sono ancora piuttosto limitate, per via di alcune problematiche specifiche legate in particolare alla ripetibilità delle risposte nel tempo, e alla riproducibilità degli strumenti stessi.
Storia Nel 1961 è stato sviluppato il primo strumento per l'analisi dell'odore con un funzionamento prettamente meccanico (naso meccanico). I primi nasi elettronici sono stati sviluppati nel 1964 da Wilkens e Hatman il cui strumento era basato sulle reazioni redox degli odoranti su uno specifico elettrodo, e nel 1965 da Buck e, Dravieks e Trotter, considerando, rispettivamente, uno strumento basato sulla modulazione della conduttività e del potenziale di contatto da parte degli odoranti. Nonostante ciò, l'idea di naso elettronico sviluppato come una serie (array) di sensori è stata sviluppata nel 1982 da Persaud e Dodd presso l'Università di Warwick nel Regno Unito e negli anni 1985 e 1987 da Kaneyasu e Ikegami. Alla luce dei risultati ottenuti in questi anni, il termine "naso elettronico" è stato usato per la prima volta nel 1987 in una conferenza tenuta da J.W. Gardner dal titolo "Pattern recognition in the Warwick Research Organisation", ma la prima conferenza completamente dedicata allo sviluppo dei nasi elettronici è stata tenuta solo nel 1990. Dal 1994, la conferenza ISOEN (International Symposium on Olfaction and Electronic Noses) offre un consesso internazionale biennale in cui discutere dello sviluppo dei nasi elettronici e delle loro applicazioni. La conferenza è tuttora promossa da ISOCS (International Society on Olfaction and Chemical Sensing) il cui compito specifico è lo sviluppo della scienza e delle tecnologie dell'olfatto artificiale. Secondo una definizione proposta da Gardner e Bartlett nel 1994, con il termine naso elettronico si intende “Uno strumento che comprende un insieme (array) di sensori elettrochimici parzialmente specifici e un appropriato sistema di riconoscimento dell’impronta olfattiva (pattern recognition system), capace di riconoscere odori semplici o complessi”.
Architettura del naso elettronico Come suggerisce il nome stesso, il naso elettronico è uno strumento che emula la struttura del naso umano. Lo strumento è composto da una serie di sensori con specificità parziale e un appropriato sistema di riconoscimento, in grado di riconoscere odori semplici o complessi.
L'architettura del naso elettronico può essere suddivisa nelle seguenti componenti principali:
Sistema di campionamento: rappresenta il sistema che “trasporta” l’aria da analizzare all’interno dello strumento ed, in particolare, verso gli elementi sensibili. Può trattarsi banalmente di una pompa in grado di aspirare il gas da un apposito sacchetto, o dall’aria ambiente, oppure può comprendere sistemi più sofisticati di regolazione della temperatura e umidità del flusso in ingresso. Volendo fare un parallelo con il sistema olfattivo umano, il sistema di campionamento potrebbe essere assimilato all’atto dell’inspirazione. Sistema di rilevamento/analisi: l’azione dei recettori olfattivi che si trovano all’interno del naso umano è simulata da un certo numero di sensori sensibili ad una vasta gamma di odoranti. Questi sensori sono solitamente inseriti in un’apposita camera, e quando entrano in contatto con l’aria da analizzare producono dei segnali di risposta che corrispondono alle variazioni di alcuni parametri fisici (quali ad esempio massa, resistenza elettrica, o frequenza di oscillazione). Sistema di acquisizione e compressione dei segnali: la variazione del parametro fisico del sensore deve essere “trasformata” in un segnale elettrico per poter essere poi trasmessa al sistema di elaborazione. Ancora una volta, cercando di effettuare un parallelo con il sistema olfattivo umano, questa operazione è quella del bulbo olfattivo, che mette insieme le informazioni derivanti dalle migliaia di recettori nasali e le trasforma in un segnale elettrico che viene inviato al cervello. Sistema di elaborazione e riconoscimento degli odori: nel cervello umano, gli stimoli trasmessi attraverso il nervo olfattivo vengono elaborati, e confrontati al background di esperienze e informazioni che l’essere umano ha elaborato nel corso della propria vita. È ovviamente difficile riprodurre con le tecnologia il funzionamento complesso e profondo del cervello umano; i nasi elettronici possono essere dotati di sistemi software anche molto sofisticati, che grazie ad opportuni algoritmi di intelligenza artificiale riescono a elaborare i segnali dei sensori, riconoscendo gli odori analizzati.
Da quanto sopra esposto, appare evidente che, come il naso umano, il naso elettronico non esegue un’analisi chimica dell’odore analizzato, per cui non è in grado di identificarne la composizione, ma l’insieme di sensori produce una cosiddetta “impronta olfattiva”, che può essere classificata sulla base di un database di riferimento acquisito dallo strumento in una preliminare fase di addestramento. Pertanto, affinché un naso elettronico possa distinguere ed identificare, ad esempio, l’odore di una mela da quello di un’arancia, è necessario che prima lo strumento sia stato istruito a riconoscere che cos’è l’odore di mela, e che cos’è l’odore di arancia.
L'architettura di un naso elettronico è significativamente dipendente dall'applicazione di riferimento per il quale viene progettato, soprattutto nel metodo di campionamento dell'aria, nella scelta dei sensori da implementare e nella necessità di implementare dei sistemi di compensazione di alcuni parametri, come ad esempio l'umidità, nel caso di installazioni all'aperto (outdoor).
Sistema di rilevazione dei gas Il “cuore” del naso elettronico è rappresentato dalla matrice di sensori per la rilevazione dei gas.
I composti volatili responsabili della sensazione olfattiva interagiscono con la superficie del sensore provocando un cambiamento in alcune proprietà chimico-fisiche dello stesso. La variazione della grandezza fisica che caratterizza l'elemento sensibile viene poi trasdotta, cioè trasformata, in un segnale elettrico che può essere elaborato in seguito.
Il numero e la tipologia di sensori impiegati nel naso elettronico è variabile in funzione dello strumento e della specifica applicazione. La maggior parte dei nasi elettronici impiega un numero di sensori compreso fra 4 e 12, anche se attualmente vi sono sistemi che arrivano fino a 32 sensori.
Indipendentemente dalla tipologia di sensori utilizzati, è fondamentale che vengano ridotte al minimo le interferenze legate alle variazioni di temperatura e umidità, che possono influire negativamente sulla rilevazione degli odori.
Le caratteristiche fondamentali dei sensori impiegati nei nasi elettronici riguardano la loro sensibilità nei confronti delle sostanze di interesse, che ovviamente dipendono, sia in termini di qualità che di concentrazione, dalla specifica applicazione. Le caratteristiche di sensibilità dei sensori possono essere migliorate applicando tecniche specifiche quali ad esempio la modulazione del sensore con la temperatura.
In generale, i sensori impiegati nei nasi elettronici sono caratterizzati da parziale specificità, che consente di analizzare miscele odorigene di composizione complessa con un numero limitato di sensori.
Altre caratteristiche importanti sono la velocità della risposta (che deve essere dell’ordine di qualche minuto al massimo), la ripetibilità e la stabilità nel tempo dei segnali, e la riproducibilità del sensore. Quest’ultima caratteristica è fondamentale al fine di evitare che, a fronte della sostituzione di un sensore, il sistema debba essere ricalibrato.
I nasi elettronici possono impiegare sensori di diversa tipologia. Storicamente, i nasi elettronici commerciali montavano sensori dello stesso tipo, anche se oggi sono sempre più diffusi degli strumenti “ibridi”, basati sull’utilizzo contemporaneo di sensori differenti.
Sensori I sensori più comunemente utilizzati nei sistemi olfattivi elettronici si possono distinguere in quelli a variazione di conducibilità, quelli piezoelettrici sensibili alla massa, i MOSFET, quelli elettrochimici e quelli ottici.
Altri sensori che possono essere implementati per l'analisi dell'odore sono i sensori colorimetrici, sensori PID (rilevatore a fotoionizzazione) e sensori FID (rilevatore a ionizzazione di fiamma).
Sensori a variazione di conducibilità
In genere questi sensori sono costituiti da uno strato di materiale attivo composto da ossidi metallici o polimeri conduttivi, da elettrodi di platino, alluminio o oro, un substrato di silicio, vetro o plastica e una resistenza riscaldante, implementata solo nel caso degli ossidi metallici, costituita normalmente da una traccia o un filo di platino metallico. Nei sensori a variazione di conducibilità l'interazione delle molecole odorigene con lo strato di materiale attivo del sensore provoca una variazione della conducibilità del materiale attivo stesso rispetto al valore di conducibilità assunto in condizioni di riferimento.