Il dispositivo con il naso sottile

Quando si tratta di misurare le più piccole tracce di composti chimici volatili nell'aria, gli analizzatori del laboratorio di Pablo Sinues sono tra i più sensibili al mondo. Con essi è possibile trovare letteralmente un ago in un pagliaio: Il limite di rilevamento dei composti volatili nell'aria è nell'ordine di una concentrazione di un trilionesimo - e in tempo reale. Analizzando l'aria, è possibile individuare gli esplosivi nascosti in un container, ad esempio, con la stessa rapidità e sensibilità dei cani da fiuto. A differenza dei cani, però, i dispositivi di misurazione di Sinues possono analizzare un'ampia gamma di sostanze contemporaneamente e non si stancano. Sinues, libero docente presso il Laboratorio di Chimica Organica, ha ora aumentato ulteriormente la già elevata sensibilità dei dispositivi di misurazione.

I suoi dispositivi di misurazione sono spettrometri di massa appositamente adattati in cui i campioni vengono caricati elettricamente (ionizzati) prima della misurazione. La tecnica è chiamata ionizzazione elettrospray secondaria (SESI). Un dispositivo per la ionizzazione delle molecole presenti nell'aria è collegato a uno spettrometro di massa disponibile in commercio. Sinues è da dieci anni leader nello sviluppo di questa tecnologia, che ha imparato a conoscere quando era dottorando all'Università di Yale. Insieme ai ricercatori di una spin-off spagnola, che ora commercializza la tecnologia e con cui collabora nell'ambito di un progetto di ricerca dell'UE, è riuscito a ottimizzare la geometria della camera di ionizzazione SESI. Di conseguenza, l'ultima generazione di SESI è cinque volte più sensibile della precedente.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno creato un modello computerizzato della camera di ionizzazione in cui possono simulare il processo di ionizzazione in dettaglio. "Questo modello ci ha aiutato a trovare il design ideale per la camera", afferma Sinues.

Identificate nuove molecole metaboliche

Negli esperimenti condotti con un dispositivo SESI migliorato, gli scienziati sono stati in grado di rilevare concentrazioni estremamente basse di farmaci e ormoni endogeni nebulizzati nell'aria: A seconda del composto, erano sufficienti da una manciata a qualche decina di molecole in un trilione di molecole di aria ambiente per il rilevamento. "Questa sensibilità è sufficiente per utilizzare le nostre apparecchiature mediche per l'analisi del respiro in medicina", afferma Sinues. "Nei test iniziali con il nuovo dispositivo di misurazione SESI migliorato, siamo stati in grado di misurare alcune molecole metaboliche nel respiro che prima non potevano essere rilevate nel respiro", afferma Sinues.

In studi precedenti, Sinues e i suoi colleghi hanno dimostrato che l'assorbimento e la degradazione dei farmaci nel corpo dei topi da esperimento possono essere monitorati analizzando il loro respiro. "Il nostro metodo potrebbe un giorno aiutare il personale ospedaliero a decidere quando è necessario somministrare una nuova dose di farmaci ai pazienti", spiega il docente dell'ETH. L'uso della tecnologia in clinica sarà portato avanti nei prossimi anni nell'ambito di un nuovo progetto di punta sotto l'egida di "Hochschulmedizin Zürich" (vedi riquadro sotto).

Profumi vegetali e viticoltura

Le potenziali applicazioni degli strumenti con naso sottile, altamente sensibili e veloci, non si limitano alla medicina e al rilevamento di esplosivi. Insieme ai colleghi, Sinues sta attualmente utilizzando il metodo in un progetto di ricerca biologica. In caso di infestazione di parassiti, le piante producono profumi per attirare gli insetti utili e avvisare le piante vicine dell'infestazione. Tuttavia, le basse concentrazioni degli odori li rendono difficili da rilevare e, poiché le piante reagiscono molto rapidamente, sono necessari dispositivi di misurazione in tempo reale. Sinues è convinto che la spettrometria di massa SESI farà progredire significativamente questo campo di ricerca e potrebbe essere utilizzata anche in viticoltura, ad esempio. "La composizione delle molecole odorose nell'uva cambia con la maturazione", spiega. Il suo metodo potrebbe aiutare a determinare il momento ottimale per la raccolta delle uve in base a questo bouquet".