Un dispositivo per proteggerci dalle minacce chimiche in modo più efficace
I dispositivi tradizionalmente impiegati per il rilevamento delle minacce chimiche, che si basano sulla mobilità ionica o sulla spettrometria di massa, sono spesso ingombranti e costosi; sebbene le tecniche di rilevamento che fanno affidamento sugli immunodosaggi offrano una maggiore specificità rispetto a questi dispositivi, esse non sono in grado di rilevare l’intera gamma di minacce esistenti, in continua evoluzione. Il progetto SERSing, finanziato dall’UE, ha sviluppato un dispositivo portatile che impiega la spettroscopia Raman amplificata da superfici (Raman-SERS, surface-enhanced Raman spectroscopy) e l’intelligenza artificiale (IA) ed è in grado di rilevare e identificare rapidamente i rischi chimici liquidi a basse concentrazioni, mentre una soluzione equivalente destinata all’utilizzo con i gas è attualmente in fase di sviluppo. I dati geolocalizzati relativi alla minaccia specifica vengono trasmessi a una piattaforma online affinché sia possibile prendere decisioni rapide in merito alla risposta. «Il nostro dispositivo, utilizzabile dai primi soccorritori, può venire installato in postazioni fisse ed essere montato su robot o droni», spiega Tomas Rindzevicius, il coordinatore del progetto. «Quando abbiamo dato l’avvio ai nostri lavori, l’analisi dei dati basata sulla SERS e sull’IA era un metodo relativamente nuovo che si è successivamente rivelata un’aggiunta straordinaria alla nostra cassetta degli attrezzi per il rilevamento.» Il progetto ha consentito di effettuare il primo rilevamento in fase gassosa di agenti di guerra chimica di sempre mediante la Raman-SERS, dando origine a diverse domande di brevetto.
SERS: i benefici offerti da una spettroscopia Raman più sensibile
La spettroscopia Raman (RS, Raman spectroscopy) è una tecnica di analisi chimica utilizzata per identificare composti solidi o liquidi sconosciuti e sospetti. Sebbene non possa essere utilizzata per rilevare tracce molecolari, le sostanze chimiche pericolose come gli agenti chimici bellici sono estremamente pericolose anche a basse concentrazioni. Il progetto sfrutta la tecnica SERS avvalendosi di materiali nanostrutturati per amplificare il segnale Raman, consentendo il rilevamento e l’identificazione di sostanze chimiche a basse concentrazioni. SERSing ha sviluppato metodi di apprendimento automatico (AA) per la corrispondenza spettrale esplorando il modo in cui le reti neurali sono potenzialmente in grado di analizzare qualsiasi serie di dati RS o SERS per identificare composti sconosciuti. Il team del progetto ha valutato le prestazioni di diversi substrati SERS, moduli di campionamento di gas/liquidi e analisi dei dati basata sull’AA in varie prove sul campo utilizzando agenti chimici per la guerra reali. In fase gassosa, SERSing ha testato il rilevamento di agenti nervini raggiungendo limiti di concentrazione fino a parti per milione (ppm) per il Tabun e parti per miliardo (ppm) per l’iprite. In fase liquida, il dispositivo Raman portatile sviluppato da Serstech, azienda partner del progetto, ha rilevato con successo: il tabun, il sarin, l’iprite, gli agenti della serie V, il dimetil metilfosfonato e il simulante dell’agente nervino, il dimetil nitrofosfonato. «Un risultato particolarmente importante è stato il rilevamento dell’A234 (Novichok) in varie miscele reali, come lo spray per il naso, fino a concentrazioni dello 0,01%, due ordini di grandezza inferiori a quelle ottenibili con i dispositivi Raman convenzionali», aggiunge Rindzevicius. Le tecniche basate sull’AA hanno offerto prestazioni superiori ai metodi standard di identificazione dei composti e alle previsioni di concentrazione attualmente in uso nella RS, mentre le reti neurali sono state in grado di rilevare e quantificare gli esplosivi nitroaromatici.
Geolocalizzazione in tempo reale
Il dispositivo realizzato da SERSTECH è dotato di funzionalità di geolocalizzazione che consentono di tracciare il luogo in cui vengono prelevati i campioni e i loro spostamenti, un aspetto fondamentale nelle operazioni sul campo. Il dispositivo può inoltre essere connesso in remoto permettendo di trasmettere i dati a un sistema di controllo centrale o a una piattaforma basata su cloud, mentre più dispositivi possono operare in coordinamento tra loro fornendo una panoramica completa delle minacce presenti. «Questo monitoraggio in tempo reale migliora il processo decisionale consentendo alle squadre responsabili di rispondere rapidamente, gestendo le risorse e contenendo le minacce in modo più efficiente. Il sistema può anche essere addestrato a rilevare i pericoli emergenti man mano che si sviluppano, migliorando la consapevolezza della situazione generale e la sicurezza», spiega Rindzevicius. I risultati forniti da SERSing sono in linea con le esigenze individuate dall’iniziativa ENCIRCLE dell’UE per quanto concerne gli obiettivi di migliorare il rilevamento, l’identificazione, la modellizzazione, la valutazione del rischio e la riduzione dell’impatto delle sostanze chimiche pericolose. Secondo l’International Forum to Advance First Responder Innovation (IFAFRI), i primi soccorritori richiedono da tempo strumenti innovativi a prezzi accessibili che siano in grado di rilevare, identificare e analizzare rapidamente minacce e pericoli. I substrati SERS sviluppati da SERSing sono già impiegati dal partner del progetto Serstech nel suo kit SERS, utilizzabile al fine di rilevare e identificare varie minacce chimiche nei campioni liquidi.
Parole chiave
SERSing, chimico, minaccia, spettroscopia Raman, apprendimento automatico, Novichok, rischi, guerra