Una nariz electrónica es un dispositivo sensor electrónico destinado a detectar olores o sabores . La expresión "detección electrónica" se refiere a la capacidad de reproducir los sentidos humanos utilizando matrices de sensores y sistemas de reconocimiento de patrones .
Desde 1982, [2] se han realizado investigaciones para desarrollar tecnologías, comúnmente conocidas como narices electrónicas, que podrían detectar y reconocer olores y sabores. Las etapas del proceso de reconocimiento son similares al olfato humano y se realizan para identificación, comparación, cuantificación y otras aplicaciones, incluido el almacenamiento y la recuperación de datos. Algunos de estos dispositivos se utilizan con fines industriales.
Otras técnicas para analizar olores
En todas las industrias, la evaluación de olores generalmente se realiza mediante análisis sensorial humano, quimiosensores o cromatografía de gases . La última técnica proporciona información sobre compuestos orgánicos volátiles, pero la correlación entre los resultados analíticos y la percepción media del olor no es directa debido a las posibles interacciones entre varios componentes olorosos.
En el detector de olores Wasp Hound , el elemento mecánico es una cámara de video y el elemento biológico son cinco avispas parásitas que han sido acondicionadas para enjambrar en respuesta a la presencia de una sustancia química específica. [3]
Historia
El científico Alexander Graham Bell popularizó la noción de que era difícil medir un olor, [4] y en 1914 dijo lo siguiente:
¿Alguna vez midió un olor? ¿Puedes decir si un olor es dos veces más fuerte que otro? ¿Puedes medir la diferencia entre dos tipos de olor y otro? Es muy obvio que tenemos muchos tipos diferentes de olores, desde el olor a violetas y rosas hasta asafétida. Pero hasta que no puedas medir sus semejanzas y diferencias, no podrás tener ciencia del olor. Si tiene la ambición de encontrar una nueva ciencia, mida un olor.
- Alexander Graham Bell, 1914 [5]
En las décadas transcurridas desde que Bell hizo esta observación, no se materializó tal ciencia del olor, y no fue hasta la década de 1950 y más allá cuando se logró un progreso real. [4] Un problema común para la detección de olores es que no implica medir energía, sino partículas físicas. [6]
Principio de funcionamiento
La nariz electrónica se desarrolló para imitar el olfato humano que funciona como un mecanismo no separador: es decir, un olor / sabor se percibe como una huella digital global. [7] Básicamente, el instrumento consta de muestreo del espacio de la cabeza, una matriz de sensores químicos y módulos de reconocimiento de patrones, para generar patrones de señal que se utilizan para caracterizar olores. [8]
Las narices electrónicas incluyen tres partes principales: un sistema de entrega de muestras, un sistema de detección, un sistema informático. [8]
El sistema de entrega de muestras permite la generación del espacio de cabeza (compuestos volátiles) de una muestra, que es la fracción analizada. Luego, el sistema inyecta este espacio de cabeza en el sistema de detección de la nariz electrónica. El sistema de entrega de muestras es fundamental para garantizar condiciones de funcionamiento constantes. [8]
El sistema de detección, que consta de un conjunto de sensores, es la parte "reactiva" del instrumento. Cuando entran en contacto con compuestos volátiles, los sensores reaccionan, lo que significa que experimentan un cambio de propiedades eléctricas. [8]
En la mayoría de las narices electrónicas, cada sensor es sensible a todas las moléculas volátiles, pero cada una en su forma específica. Sin embargo, en narices bioelectrónicas, se utilizan proteínas receptoras que responden a moléculas de olor específicas. La mayoría de las narices electrónicas utilizan matrices de sensores químicos que reaccionan a los compuestos volátiles al contacto: la adsorción de compuestos volátiles en la superficie del sensor provoca un cambio físico del sensor. La interfaz electrónica registra una respuesta específica que transforma la señal en un valor digital. A continuación, los datos registrados se calculan basándose en modelos estadísticos. [9]
Las narices bioelectrónicas utilizan receptores olfativos , proteínas clonadas de organismos biológicos, por ejemplo, seres humanos, que se unen a moléculas de olor específicas. Un grupo ha desarrollado una nariz bioelectrónica que imita los sistemas de señalización utilizados por la nariz humana para percibir olores a una sensibilidad muy alta: concentraciones femtomolares. [10]
Los sensores más utilizados para narices electrónicas incluyen
- Dispositivos semiconductores de óxido de metal (MOSFET): transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Esto funciona según el principio de que las moléculas que ingresan al área del sensor se cargarán positiva o negativamente, lo que debería tener un efecto directo en el campo eléctrico dentro del MOSFET. Por lo tanto, la introducción de cada partícula cargada adicional afectará directamente al transistor de una manera única, produciendo un cambio en la señal MOSFET que luego puede ser interpretada por los sistemas informáticos de reconocimiento de patrones. Entonces, esencialmente, cada molécula detectable tendrá su propia señal única para que la interprete un sistema informático.
- polímeros conductores: polímeros orgánicos que conducen la electricidad. [11]
- compuestos poliméricos: de uso similar a los polímeros conductores, pero formulados a partir de polímeros no conductores con la adición de material conductor como el negro de carbón.
- Microbalanza de cristal de cuarzo (QCM): una forma de medir la masa por unidad de área midiendo el cambio de frecuencia de un resonador de cristal de cuarzo. Esto puede almacenarse en una base de datos y usarse para referencia futura.
- Onda acústica de superficie (SAW): una clase de sistemas microelectromecánicos (MEMS) que se basan en la modulación de ondas acústicas de superficie para detectar un fenómeno físico. [12]
- Los espectrómetros de masas se pueden miniaturizar para formar un dispositivo de análisis de gases de uso general. [13]
Algunos dispositivos combinan varios tipos de sensores en un solo dispositivo, por ejemplo, QCM recubiertos de polímero. La información independiente conduce a dispositivos mucho más sensibles y eficientes. [14] Los estudios del flujo de aire alrededor de la nariz de los caninos y las pruebas en modelos de tamaño natural han indicado que una "acción de olfateo" cíclica similar a la de un perro real es beneficiosa en términos de rango mejorado y velocidad de respuesta [15]
En los últimos años, se han desarrollado otros tipos de narices electrónicas que utilizan espectrometría de masas o cromatografía de gases ultrarrápida como sistema de detección. [9]
El sistema informático trabaja para combinar las respuestas de todos los sensores, lo que representa la entrada para el tratamiento de datos. Esta parte del instrumento realiza un análisis global de huellas dactilares y proporciona resultados y representaciones que se pueden interpretar fácilmente. Además, los resultados de la nariz electrónica pueden correlacionarse con los obtenidos con otras técnicas (panel sensorial, GC , GC / MS ). Muchos de los sistemas de interpretación de datos se utilizan para el análisis de resultados. Estos sistemas incluyen redes neuronales artificiales (ANN), [16] lógica difusa , módulos de reconocimiento de patrones, etc. [17] La inteligencia artificial, incluida la red neuronal artificial (ANN), es una técnica clave para la gestión de olores ambientales. [18]
Realización de un análisis
Como primer paso, es necesario entrenar una nariz electrónica con muestras calificadas para construir una base de datos de referencia. Luego, el instrumento puede reconocer nuevas muestras comparando la huella digital de un compuesto volátil con las que contiene su base de datos. Por tanto, pueden realizar análisis cualitativos o cuantitativos. Sin embargo, esto también puede plantear un problema, ya que muchos olores están formados por múltiples moléculas diferentes, que pueden ser interpretadas erróneamente por el dispositivo, ya que las registrará como compuestos diferentes, dando como resultado resultados incorrectos o inexactos dependiendo de la función principal de la nariz. [19] El ejemplo de conjunto de datos e-nose también está disponible. [20] Este conjunto de datos puede utilizarse como referencia para el procesamiento de señales de e-nose, especialmente para estudios de calidad de la carne. Los dos objetivos principales de este conjunto de datos son la clasificación de carne de vacuno multiclase y la predicción de la población microbiana por regresión.
Aplicaciones
Los instrumentos nasales electrónicos son utilizados por laboratorios de investigación y desarrollo, laboratorios de control de calidad y departamentos de proceso y producción para diversos fines:
En laboratorios de control de calidad
- Conformidad de materias primas, productos intermedios y finales.
- Consistencia de lote a lote
- Detección de contaminación, deterioro, adulteración.
- Selección de origen o proveedor
- Seguimiento de las condiciones de almacenamiento
- Seguimiento de la calidad de la carne. [21]
En departamentos de proceso y producción
- Gestión de la variabilidad de la materia prima
- Comparación con un producto de referencia
- Medición y comparación de los efectos del proceso de fabricación en los productos.
- Seguimiento de la eficiencia del proceso de limpieza en el lugar
- Monitoreo de escalamiento
- Monitoreo de limpieza in situ.
En fases de desarrollo de productos
- Perfiles sensoriales y comparación de varias formulaciones o recetas.
- Benchmarking de productos competitivos
- Evaluación del impacto de un cambio de proceso o ingrediente en las características sensoriales.
Posibles y futuras aplicaciones en los campos de la salud y la seguridad.
- La detección de bacterias peligrosas y dañinas, como un software que se ha desarrollado específicamente para reconocer el olor del MRSA ( Staphylococcus aureus resistente a la meticilina ). [22] También es capaz de reconocer S. aureus susceptible a la meticilina (MSSA) entre muchas otras sustancias. Se ha teorizado que si se coloca con cuidado en los sistemas de ventilación del hospital, podría detectar y, por lo tanto, prevenir la contaminación de otros pacientes o equipos por muchos patógenos altamente contagiosos.
- La detección de cáncer de pulmón u otras condiciones médicas mediante la detección de los COV ( compuestos orgánicos volátiles ) que indican la condición médica. [23] [24] [25]
- La detección de infecciones virales y bacterianas en las exacerbaciones de la EPOC . [26]
- El control de calidad de los productos alimenticios, ya que podría colocarse convenientemente en el empaque de los alimentos para indicar claramente cuándo los alimentos comenzaron a pudrirse o se usaron en el campo para detectar contaminación bacteriana o por insectos. [27]
- Los implantes nasales podían advertir de la presencia de gas natural, para quienes tenían anosmia o un sentido del olfato débil.
- La Brain Mapping Foundation utilizó la nariz electrónica para detectar células cancerosas del cerebro. [28] [29] [30] [31] [32] [33]
Aplicaciones posibles y futuras en el campo de la prevención y seguridad del delito
- La capacidad de la nariz electrónica para detectar olores inodoros lo hace ideal para su uso en la fuerza policial, como la capacidad de detectar olores de bombas a pesar de otros olores en el aire capaces de confundir a los perros policía. Sin embargo, esto es poco probable a corto plazo, ya que el costo de la nariz electrónica es bastante alto.
- También se puede utilizar como método de detección de drogas en los aeropuertos. Mediante la colocación cuidadosa de varias o más narices electrónicas y sistemas informáticos eficaces, se podría triangular la ubicación de las drogas a unos pocos metros de su ubicación en menos de unos pocos segundos.
- Existen sistemas de demostración que detectan los vapores emitidos por los explosivos, pero actualmente están algo detrás de un perro rastreador bien entrenado.
En vigilancia ambiental
- Para la identificación de compuestos orgánicos volátiles en muestras de aire, agua y suelo. [34]
- Para la protección del medio ambiente. [35]
Varias notas de aplicación describen análisis en áreas tales como sabores y fragancias, alimentos y bebidas, envases, farmacéutica, cosmética y perfumes, y empresas químicas. Más recientemente, también pueden abordar las preocupaciones del público en términos de monitoreo de molestias olfativas con redes de dispositivos en el campo. [36] [37] Dado que las tasas de emisión en un sitio pueden ser extremadamente variables para algunas fuentes, la nariz electrónica puede proporcionar una herramienta para rastrear fluctuaciones y tendencias y evaluar la situación en tiempo real. [38] Mejora la comprensión de las fuentes críticas, lo que lleva a una gestión proactiva de los olores. El modelado en tiempo real presentará la situación actual, lo que permitirá al operador comprender qué períodos y condiciones están poniendo en riesgo la instalación. Además, los sistemas comerciales existentes se pueden programar para tener alertas activas basadas en puntos de ajuste (concentración de olor modelada en receptores / puntos de alerta o concentración de olor en una nariz / fuente) para iniciar las acciones apropiadas.
Ejemplos de instrumentos
La nariz electrónica Heracles [39] de Alpha MOS se basa en la cromatografía de gases rápida dual con FID, acoplada a IA utilizando estadísticas multivariadas para calcular los datos.
El FlavourSpec [40] de GAS Dortmund se basa en GC-IMS.
La gama GDA de dispositivos portátiles [41] de Airsense Analytics combina diferentes detectores (IMS, PID, EC, MOS) para abordar aplicaciones en seguridad, primera respuesta, explosivos y fumigación.
El Smell Inspector de Smart Nanotubes Technologies se encuentra en etapa de preorden de producción, con entregas estimadas en diciembre de 2021. [42] NeOse es un detector de olores compatible con teléfonos inteligentes dirigido a empresas. [43] Los dispositivos de la serie Kanomax OMX son medidores de olor portátiles capaces de detectar gases. [44] Mientras tanto, el Instituto de Tecnología de Karlsruhe está desarrollando la nariz electrónica Smelldect, que pretende ser compatible con teléfonos inteligentes y asequible. [45] Aroma Bit es una startup japonesa que desarrolla chips que detectan olores. [46] [47]
Solución BreathBase
Breathomix BV [48] es una startup holandesa de tecnología médica que se centra en el cuidado de la salud. Su solución BreathBase comprende un eNose, una plataforma que transfiere mediciones de respiración de alta calidad a la generación y validación de modelos de diagnóstico, y una base de datos de respiración clínicamente validada que sirve como referencia para nuevos pacientes. Su solución es capaz de discriminar entre los pacientes con EPOC que desarrollan cáncer de pulmón en un año y los que no. Estos resultados muestran que la evaluación de eNose puede detectar las primeras etapas del cáncer de pulmón y, por lo tanto, puede ser útil en el cribado de pacientes con EPOC. [49]
También utilizaron su solución para el fenotipo de pacientes con asma y EPOC. El fenotipado de una muestra combinada de pacientes con asma y EPOC utilizando eNose proporcionó grupos validados que no fueron determinados por el diagnóstico, sino más bien por las características clínicas / inflamatorias. El eNose identificó la neutrofilia y / o eosinofilia sistémica de una manera dependiente de la dosis. [50]
Cyranose
La Cyranose 320 es una "nariz electrónica" de mano desarrollada por Cyrano Sciences de Pasadena, California en 2000. [51] Cyrano Sciences fue fundada en 1997, 9 años después del concepto de una "nariz electrónica" basada en el uso de múltiples sensores semi-selectivos. combinado con computación electrónica fue propuesto por primera vez por Gardner y Bartlett. [52] El Cyranose 320 se basa en la investigación de sensores realizada por el profesor Nathan Lewis del Instituto de Tecnología de California. [53] Las aplicaciones investigadas con Cyranose 320 incluyen la detección de EPOC, [54] y otras afecciones médicas [55] [56] , así como aplicaciones industriales generalmente relacionadas con el control de calidad o la detección de contaminación. [57] El Cyranose 320 todavía está siendo fabricado en los Estados Unidos por Sensigent LLC, la compañía sucesora de Cyrano Sciences.
Ver también
- Transistor de efecto de campo químico
- Resistencia química
- Piel electrónica
- Lengua electrónica
- Detección mejorada por fluctuaciones
- Olfato de máquina
- Olfatómetro
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enlaces externos
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- Los investigadores de la NASA están desarrollando una nariz artificial exquisitamente sensible para la exploración espacial
- BBC News sobre detección de bacterias basada en la nariz electrónica