Il naso elettronico Electronic nose

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Electronic nose
Con il termine “Naso Elettronico” si intende
uno strumento in grado di generare delle
mappe digitali di odori complessi, dette anche
immagini chimiche o immagini olfattive se si
tratta di esclusiva presenza di odore. Il principio di funzionamento mira a riprodurre il sistema olfattivo umano; in effetti la sensibilità
dei sensori che lo costituiscono è simile a quella dei recettori olfattivi umani, il sistema di
elaborazione dati è concettualmente analogo
al processo che accade nel bulbo olfattivo e la
classificazione finale degli odori è eseguita da
una rete neurale o da un tipo di analisi statistica multivariata che riprende i meccanismi
di identificazione utilizzati nel cervello. Presso i laboratori dell’Istituto per la Microelettronica e Microsistemi del cnr (imm), Sezioni di Roma, Lecce e Bologna, da alcuni anni
si stanno studiando e sviluppando differenti
prototipi di sistemi olfattivi artificiali.
Gli elementi fondamentali sono i sensori chimici che, operando come trasduttori miniaturizzati, rispondono in maniera reversibile,
alle sostanze chimiche volatili, generando segnali elettrici in funzione della concentrazione dei gas, in tempo reale. Il principio di funzionamento dei sensori chimici piezoelettrici,
definiti sensori di massa, posizionati nella “narice” del naso elettronico di Roma (LibraNose ed EnQbe, sviluppati in collaborazione anche con l’Università «Tor Vergata» di Roma,
Dipartimento di Ingegneria Elettronica e Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche) si basa sulla variazione di frequenza di
oscillazione di cristalli al quarzo dovuta alla
variazione di massa (Thickness Shear Mode
Resonators) legata all’adsorbimento o desorbimento delle molecole gassose sullo strato
sensibile del sensore (Metallo-Tetrafenilporfirine differentemente funzionalizzate e depositate). Nel caso degli altri due prototipi (Se-
By the term “Electronic Nose” it is intended an
instrument able to generate digital maps of complex odours or chemical images. Its operating
principle tends to reproduce the human olfactive
system; infact, the sensors sensitivities by which
they are constructed is similar to that of human
olfactive receptors. Furthermore, the data processing system is conceptually similar to the human olfactive receptor system. The odour classification is obtained by a neural network or by a
kind of multivariate statistical analysis which
recall the identification mechanism in the
brain. Since few years, artificial olfactive systems are studied and devoloped as different prototypes at the imm (Institute for Microelectronics
and Microsystems of the cnr: Section of Roma,
Lecce and Bologna).
The fundamental elements of the electronic nose
are the piezoelectric chemical sensors which, operating as miniaturized trancducers, do respond
reversibly to the chemical volatile compounds
generating electrical signals versus the concentrations in real time. The operating principle of
the piezoelectric chemical sensors, also defined
mass sensors, located in the electronic nose narici, is based on the frequency variation of resonating quartz crystals (Thickness Shear Mode
Resonators) occurring during the absorption or
desorption processes.
The cims (Chemical Interactive Materials) are
Metal-Tetrafenilporfirine differently functionalized in the LibraNose and EnQbe which are
the electronic noses developed at Tor Vergata
University of Rome, Department of Electronic
Engineering and Department of Chemical
Technologies. Other two prototypes have been
developed, one at the Section of Lecce and the
other at the Section of Bologna. In this case,
transducers are represented by Metal Oxide
Semiconductors (SnO2 , In2O3 , TiO2 , WO3 ),
whose conductivity exhibit changes, at a given
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zioni di Lecce, Bologna) l’interazione chimica determina un trasferimento di elettroni tra
la superficie di un materiale semiconduttore
(tipo SnO2, In2O3, WO3, TiO2) e le molecole
di gas adsorbite, che viene misurata come una
variazione di conducibilità dei materiali impiegati. In particolare questa variazione è determinata dall’ossidazione superficiale delle
sostanze che compongono l’aroma e dalla riduzione dell’ossigeno precedentemente adsorbito ed attivato sulla superficie del sensore
stesso. Le caratteristiche comuni a tutti e tre i
prototipi sono l’immediatezza della risposta e
l’assenza di lunghi pretrattamenti del campione da analizzare. Le attività dei gruppi nelle suddette Sezioni del CNR sono volte, in
modalità diversificate, alla miniaturizzazione
del sistema (tramite l’applicazione di microtecnologie), allo sviluppo dell’elettronica e dei
software di gestione, ma anche alla chimica
del sensore, preparando e caratterizzando
nuovi materiali, mirando ad aumentarne la risoluzione (ppb e ppm) nei confronti degli
analiti desiderati, a diminuire il tempo di risposta e a ottenere una completa reversibilità,
accuratezza e riproducibilità delle misure, un
segnale di uscita con il minimo rumore elettronico possibile. Le potenzialità applicative
di simili strumenti sono ovviamente notevoli. Nel settore alimentare essi possono essere
utilizzati per formulare un giudizio oggettivo
di qualità (es. valutazione dello stato di conservazione degli alimenti, controllo delle denominazioni di origine protetta, controllo di
frodi e sofisticazioni); nel monitoraggio ambientale essi possono identificare gas di combustione, fughe di gas, idrocarburi aromatici,
aerosol; in campo medico essi possono rappresentare strumenti diagnostici per malattie
della pelle, del sistema endocrino e per patologie più importanti tipo diabete, cancro ai
polmoni, schizofrenie, psicopatie.
In ambito spaziale, essi possono trovare applicazioni nell’ambito della determinazione
della qualità dell’aria dei veicoli spaziali abitati. Nel settore della sicurezza, applicazioni
di notevole importanza attengono la rivelazione di gas aggressivi.
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Istituto per la microelettronica e microsistemi
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temperature in the range 200-500°C, in presence
of absorption or desorption processes.
The common features of all the electronic noses
are the relatively fast response and the satisfactory stability. In all the Sections involved in the
electronic nose research, the present activities
mainly look forward the system miniaturization, control software and low noise and low
voltage electronics. The potential opportunities
of electronic nose are very promising. In the food
and agricultural sectors, they can be utilized to
express quality judgements (conservation status,
control of the protected denomination, control
of doping and sophistication). In the ambient
monitoring sector, they can be applied for the
characterization of the combustion gases, gas
leaks, hydrocarbon concentrations. In the medical fields, they can be used as diagnosys instruments for skin deseases and internal pathology
detection such as diabetes, cancers, etc.
In space applications, they can be used to monitor the air quality, while in the security sectror,
much attention is paid for identification of aggressive gases.
cnr
Institute for Microelectronics
and Microsystems