I ricercatori della Skoltech stanno testando gli e-nose per individuare patologie, cibi avariati, sostanze tossiche e contaminazioni del suolo

Esistono sin dagli anni Sessanta, anche se la prima definizione ufficiale risale a decenni dopo: i nasi elettronici, o e-nose, vengono già utilizzati in ambito alimentare e per il monitoraggio ambientale, ma anche per la diagnosi non invasiva di diverse patologie individuabili dagli odori corporei.

Questi dispositivi, che imitano il funzionamento del sistema olfattivo umano, possono convertire il segnale chimico degli odori in informazioni d’altro tipo, per esempio determinando la composizione esatta dell’aria analizzata e rintracciando la presenza di composti specifici.

Complice l’evoluzione di tecnologie decisive come l’Internet of Things e la stampa 3D, la vivace ricerca sugli e-nose si è intensificata: si testano nuovi sensori, nuovi materiali e nuovi processi di stampa – per applicazioni che sempre più spesso superano i confini dei laboratori per calarsi nel mondo reale dei prodotti commerciali.

I ricercatori della Skoltech di Mosca, per esempio, hanno già addestrato i loro nasi elettronici a eseguire diagnosi mediche, a riconoscere le singole componenti della plastica riciclata e a individuare il giusto grado di cottura dei cibi. E in due ricerche del 2024, gli e-nose della Skoltech hanno dimostrato anche di saper individuare la carne avariata e di poter determinare le dimensioni di un giacimento petrolifero in maniera accurata e molto economica.

E-nose: dagli anni Novanta a oggi

In base alla definizione ufficiale proposta nel 1994, un naso elettronico è “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”.

Un naso elettronico imita sostanzialmente il funzionamento del sistema olfattivo umano: “inspira” l’aria da analizzare, la sottopone a una serie di sensori sensibili a diversi odori e infine elabora i segnali ottenuti allo scopo di riconoscere gli odori.

L’industria alimentare è stata tra le prime a sperimentare le potenzialità degli e-nose: già negli anni Novanta, questi dispositivi si erano rivelati capaci di riconoscere diversi tipi di caffè con un’accuratezza del 95%. All’inizio del Duemila videro la luce le prime applicazioni commerciali che permettevano di monitorare il gusto degli alimenti in fase di produzione, e dieci anni dopo si era in grado di riconoscere i vitigni e le adulterazioni nei vini italiani.

Contemporaneamente, il crescente inquinamento atmosferico delle nostre città iniziava a richiedere strumenti di monitoraggio ambientale che potessero controllare costantemente la presenza di pericolosi inquinanti nell’aria e individuare l’origine degli odori: la ricerca sugli e-nose trovò così un nuovo ambito di specializzazione.

Nel settore biomedico, infine, i nasi elettronici trovano ampio uso nella diagnostica: l’analisi del respiro, infatti, permette di identificare dei segnali molto importanti per l’individuazione di malattie infiammatorie, infezioni e altre patologie. Inutile dire che con l’avvento dell’Internet of Things e dell’elettronica indossabile, questo campo di applicazione ha visto estendere i suoi confini fino allo sviluppo di dispositivi wearable capaci di individuare e monitorare diabete, malattie epatiche e altre patologie dall’analisi dell’odore della pelle.

La ricerca della Skoltech: medicina, cibo e analisi della plastica

I ricercatori dello Skolkovo Institute of Science and Technology di Mosca sono al lavoro sugli e-nose da qualche anno: nel 2021, un team guidato da Fedor Fedorov, Albert Nasibulin e Dmitry Rupasov sviluppò un naso elettronico multisensore stampando su un chip multielettrodo otto diversi ossidi metallici.

Il dispositivo, progettato specificatamente per l’elettronica portatile e le applicazioni biomediche, è risultato subito sensibile e molto economico, e si è dimostrato in grado di eseguire una diagnostica non invasiva del respiro umano e di riconoscere la differenza tra diversi vapori di alcol chimicamente molto simili (metanolo, etanolo, isopropanolo e n-butanolo) anche a basse concentrazioni nell’aria.

Nello stesso anno, il team della Skoltech ha testato questo tipo di dispositivo anche in ambito alimentare: assistito da un algoritmo di computer vision, l’e-nose è stato usato per determinare il giusto grado di cottura di un pollo arrosto – un’applicazione che potrebbe trovare ampio uso in ambito industriale ma anche nelle prossime evoluzioni della domotica.

La ricerca russa sui nasi elettronici è andata ancora oltre: nel 2023, gli scienziati hanno esplorato le potenzialità degli e-nose per l’analisi della plastica riciclata utilizzata per il packaging alimentare e dei prodotti farmaceutici.

La registrazione di odori estranei su questi prodotti, infatti, segnala la presenza di sostanze chimiche nocive o violazioni nella tecnologia di produzione dei polimeri. Il controllo qualità è affidato a operatori umani esperti, ma l’e-nose della Skoltech ha dei vantaggi: a differenza di un naso umano, infatti, i suoi sensori reagiscono anche ai composti volatili inodori, e sanno riconoscere i diversi polimeri presenti nella plastica (nonché la loro origine).

Il naso riconosce la carne avariata prima della vista

La ricerca continua a grandi passi: soltanto quest’anno i ricercatori russi hanno pubblicato due studi sulle diverse applicazioni degli e-nose. Il primo risale allo scorso agosto, ed è stato pubblicato sulla rivista Analytica Chimica Acta: il naso elettronico torna a lavorare con le tecnologie di visione computerizzata, questa volta per valutare la qualità della carne senza bisogno di analisi batteriologiche di laboratorio.

I ricercatori hanno studiato la dinamica del deterioramento della carne utilizzando l’e-nose per digitalizzare l’odore associato ai marcatori volatili legati all’attività batterica del deterioramento e hanno confrontato i risultati con i cambiamenti nel microbioma dei campioni di carne deteriorata.

Come spiega Fedor Fedorov dello Skoltech Photonics Center, co-autore dello studio:

“L’odore è il primo indicatore della freschezza o meno di un alimento. Nel nostro studio abbiamo esaminato il “punto di transizione” o “punto di cambiamento” in cui il cibo diventa cattivo e abbiamo scoperto che l’e-nose può rilevare i cambiamenti prima della visione computerizzata (…). A un certo punto, la maggior parte dei batteri inizia a morire e solo i batteri di deterioramento più resistenti rimangono in vita e si moltiplicano. Abbiamo usato l’e-nose per vedere come l’odore del campione di carne popolato di batteri cambiava nel tempo e poi abbiamo applicato protocolli matematici per identificare il punto di transizione tra freschezza e deterioramento”.

Grazie all’e-nose, i ricercatori hanno anche scoperto che la velocità dei processi batterici dipende dall’umidità del frigorifero: più l’aria è umida, più velocemente la carne si rovina. Un e-nose e un sensore di umidità e temperatura, insomma, potrebbero essere sufficienti per identificare il punto di deterioramento dei cibi.

L’e-nose per trovare giacimenti e fuoriuscite di petrolio

In una nuova ricerca pubblicata nel mese di Ottobre, i ricercatori della Skoltech hanno testato i nasi elettronici nell’ultimo ambito di grande interesse applicativo: il monitoraggio ambientale. Hanno quindi addestrato l’e-nose a identificare l’origine del petrolio in base alla percentuale di composti organici volatili, cosa che permetterebbe di individuare le fuoriuscite di petrolio che contaminano il suolo, monitorare l’ambiente presso le raffinerie e condurre studi approfonditi sui campi petroliferi.

In questo contesto, l’e-nose si rivela una soluzione particolarmente promettente: come spiegano gli scienziati, il naso elettronico è mobile, compatto e 20 volte meno costoso dei sofisticati e ingombranti dispositivi attualmente utilizzati per misurare la composizione delle miscele di gas. Inoltre, l’e-nose è in grado di individuare petrolio nel suolo anche 12 ore dopo la fuoriuscita, a evaporazione già iniziata.

E sembrerebbe che il naso elettronico abbia anche altre capacità interessanti, in materia di oro nero. Come spiega Valery Zaitsev, dottorando presso il Laboratorio di nanomateriali di Skoltech:

“Il nostro approccio può essere utilizzato per monitorare la produttività del giacimento nei campi petroliferi. L’e-nose determinerà le proprietà chimiche dei composti volatili del petrolio presenti nell’aria in base al loro odore. Suppongo che l’e-nose possa anche aiutare a identificare l’esatta ubicazione di nuovi giacimenti petroliferi”.

La ricerca continuerà attraverso una start-up. Come spiega Fedor Fedorov, responsabile del progetto finanziato dalla Russian Science Foundation:

“Poiché il nostro dispositivo è destinato a essere utilizzato dall’industria, il nostro obiettivo immediato è quello di implementarlo come prodotto commerciale. Nel frattempo, cercheremo di insegnare all’e-nose a percepire gli odori come fanno gli esseri umani, ad esempio a determinare se un odore è piacevole o sgradevole e in che misura”.

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