In natura, i profumi emessi dalle piante attirano gli animali come gli insetti. Però, i profumi sono utilizzati anche nell'industria, ad esempio nella produzione di profumi e aromi. Al fine di ottenere un affidabile, Presto, e la discriminazione oggettiva dei profumi di menta in particolare, i ricercatori del KIT (Karlsruhe Institute of Technology) hanno avviato una collaborazione interdisciplinare e hanno sviluppato un naso elettronico con un senso dell'olfatto artificiale. Questo naso elettronico raggiunge un'elevata precisione nel riconoscere diverse specie di menta, che lo rende uno strumento adatto per applicazioni che vanno dal controllo della qualità farmaceutica al monitoraggio dell'olio di menta come bioerbicida ecologico.

"Finora, gli scienziati sono stati in grado di identificare circa 100, 000 diversi composti biologici attraverso i quali le piante vicine interagiscono tra loro o controllano altri organismi, come insetti, " dice il professor Peter Nick del Botanical Institute of KIT. "Questi composti sono molto simili nelle piante dello stesso genere." Un classico esempio del mondo vegetale è la menta, dove le diverse varietà producono con profumi molto specie-specifici. Controllo qualità industriale dell'olio di menta, in particolare, è soggetto a rigide normative legali al fine di prevenire l'adulterazione, richiede tempo, e richiede una grande competenza, spiega lo scienziato. Un nuovo "naso elettronico" dotato di sensori realizzati con materiali combinati supporterà questo processo. Ricercatori dell'Istituto Botanico, l'Istituto delle Interfacce Funzionali (IFG), l'Istituto di tecnologia delle microstrutture (IMT), e il Light Technology Institute (LTI) di KIT hanno sviluppato e testato congiuntamente questi sensori con sei diverse specie di menta.

Naso elettronico basato su un modello biologico

Nello sviluppo del naso elettronico, l'intero gruppo di ricerca è stato guidato per quanto possibile dal modello biologico:le cellule olfattive, che negli esseri umani trasmettono informazioni al cervello tramite impulsi elettrici, sono sostituiti da dodici sensori speciali QCM (Quartz Crystal Microbalance). Questi sensori sono costituiti da due elettrodi dotati di un cristallo di quarzo. Tra gli altri, tali componenti si trovano anche nei telefoni cellulari, in quanto garantiscono frequenze di telefonia mobile ad alta precisione a basso costo. "I profumi di menta si depositano sulla superficie dei sensori. Questo cambia la loro frequenza di risonanza e otteniamo una reazione al rispettivo profumo, " spiega il professor Christof Wöll dell'IFG. I profumi sono costituiti da molecole organiche in diverse composizioni. Per consentire ai nuovi sensori di assorbire queste molecole, i ricercatori dell'IFG hanno utilizzato dodici materiali per sensori specifici, comprese le strutture metallo-organiche (MOF) sviluppate presso l'IFG. "Questi materiali sono altamente porosi e particolarmente adatti per applicazioni di sensori perché possono assorbire molte molecole come una spugna, " dice Wöll. "Combinando i sensori con i diversi materiali, creiamo quella che si potrebbe chiamare una rete neurale".

Utilizzo dell'apprendimento automatico per addestrare il naso elettronico con sei specie di menta

Gli scienziati hanno testato il naso elettronico con sei diverse specie di menta, tra cui la classica menta piperita, menta e erba gatta. "Utilizziamo diversi metodi di apprendimento automatico per addestrare i sensori in modo che possano creare l'impronta digitale del rispettivo profumo dai dati raccolti e quindi distinguere i profumi, " dice Wöll. Dopo ogni campione di profumo, il naso elettronico viene lavato con anidride carbonica (CO ₂ ) per circa mezz'ora per consentire la rigenerazione dei sensori.

I risultati ottenuti dal team di ricerca interdisciplinare hanno dimostrato che il naso elettronico con i suoi sensori QCM può assegnare profumi di menta con un'elevata specificità a una particolare specie. Inoltre, è un facile da usare, affidabile, e conveniente alternativa ai metodi convenzionali come la spettrometria di massa, lo scienziato afferma ulteriormente. L'ulteriore sviluppo si concentrerà sui sensori che si rigenerano più rapidamente per raccogliere nuovamente i profumi. I ricercatori dell'IFG continueranno a concentrarsi sui materiali MOF per adattarli ad altre applicazioni, come la percezione olfattiva artificiale per la diagnostica medica.