La ricerca presso l'Oregon State University ha avvicinato la scienza allo sviluppo di un naso elettronico per il monitoraggio della qualità dell'aria, rilevare le minacce alla sicurezza e diagnosticare le malattie misurando i gas nel respiro di un paziente.

Una ricerca pubblicata di recente guidata da Cory Simon, assistente professore di ingegneria chimica presso l'OSU College of Engineering, in collaborazione con il professore di ingegneria chimica Chih-Hung Chang si è concentrato su materiali noti come strutture metallo-organiche, o MOF.

La ricerca ha preso di mira un ostacolo critico ma poco studiato nell'utilizzo dei MOF come sensori di gas:tra i miliardi di possibili MOF, come si determinano quelli giusti per costruire il naso elettronico ottimale?

I MOF hanno pori di dimensioni nanometriche e assorbono selettivamente i gas, simile a una spugna. Sono ideali per l'uso in array di sensori a causa della loro sintonizzabilità, consentendo agli ingegneri di utilizzare una serie diversificata di materiali che consente a una serie di sensori basati su MOF di fornire informazioni dettagliate.

A seconda dei componenti che compongono un gas, diverse quantità di gas verranno adsorbite in ciascun MOF. Ciò significa che la composizione di un gas può essere dedotta misurando il gas adsorbito nell'array di MOF utilizzando bilance su microscala.

La sfida è che tutti i MOF assorbono tutti i gas, non nella stessa misura, ma tuttavia l'assenza di perfetta selettività impedisce a un ingegnere di dire semplicemente, "Dedichiamo questo MOF all'anidride carbonica, quello all'anidride solforosa, e un altro al biossido di azoto."

"La cura dei MOF per gli array di sensori di gas non è così semplice perché ogni MOF nell'array assorbirà sensibilmente tutti e tre quei gas, " disse Simone.

I nasi umani affrontano questo stesso problema facendo affidamento su circa 400 diversi tipi di recettori olfattivi. Proprio come i MOF, ogni recettore olfattivo è attivato da molti odori diversi, e ogni odore attiva molti recettori diversi; il cervello analizza il modello di risposta, permettendo alle persone di distinguere una moltitudine di odori diversi.

"Nella nostra ricerca, abbiamo creato un quadro matematico che ci permette, in base alle proprietà di adsorbimento dei MOF, per decidere quale combinazione di MOF è ottimale per un array di sensori di gas, " disse Simon. "Ci saranno inevitabilmente dei piccoli errori nelle misurazioni della massa di gas adsorbito, e quegli errori danneggeranno la previsione della composizione del gas basata sulla risposta dell'array di sensori. Il nostro modello valuta quanto bene una determinata combinazione di MOF impedirà a quei piccoli errori di alterare la stima della composizione del gas".

Sebbene la ricerca fosse principalmente modellistica matematica, gli scienziati hanno utilizzato i dati di adsorbimento sperimentale in MOF reali come input, Simone ha detto, aggiungendo che Chang è uno sperimentatore "con cui stiamo lavorando per realizzare un vero naso elettronico per rilevare gli inquinanti atmosferici".

"Attualmente stiamo cercando insieme finanziamenti esterni per portare questo nuovo concetto nella realizzazione fisica, " Simon ha detto. "A causa di questa carta, ora abbiamo un metodo razionale per progettare computazionalmente l'array sensoriale, che comprende la simulazione dell'adsorbimento di gas nei MOF con modelli molecolari e simulazioni per prevedere le loro proprietà di adsorbimento, quindi utilizzando il nostro metodo matematico per vagliare le varie combinazioni di MOF per l'array di sensori più accurato".

Ciò significa che invece di un approccio sperimentale per tentativi ed errori per decidere quali MOF utilizzare in un array di sensori, gli ingegneri possono utilizzare la potenza di calcolo per curare la migliore raccolta di MOF per un naso elettronico.

Un'altra interessante applicazione di un simile naso potrebbe essere la diagnosi di malattie. I composti organici volatili emessi dall'uomo, come attraverso il nostro respiro, sono pieni di biomarcatori per più malattie, e gli studi hanno dimostrato che i cani, che hanno il doppio di diversi recettori olfattivi rispetto agli umani, possono rilevare le malattie con il naso.

Per quanto meravigliosi siano, però, i nasi dei cani non sono così pratici per un uso diagnostico diffuso come sarebbe un array di sensori accuratamente realizzato e fabbricato.

I risultati della ricerca MOF computazionale sono stati pubblicati in Materiali e interfacce applicati ACS .