stringtranslate.com

Matriz de sensores químicos

Una matriz de sensores químicos es una arquitectura de sensores con múltiples componentes de sensores que crean un patrón para la detección de analitos a partir de las respuestas aditivas de los componentes de sensores individuales. Existen varios tipos de matrices de sensores químicos, incluidos dispositivos electrónicos, ópticos, de ondas acústicas y potenciométricos. Estas matrices de sensores químicos pueden emplear múltiples tipos de sensores que son reactivos de forma cruzada o están ajustados para detectar analitos específicos. [1] [2] [3] [4]

Descripción general

Definición

Los componentes de la matriz de sensores son sensores individuales, que se seleccionan en función de sus propiedades de detección individuales (es decir, método de detección, especificidad para una clase particular de analito e interacción molecular). Los componentes de los sensores se eligen para responder a la mayor cantidad posible de analitos; por lo tanto, si bien la sensibilidad y la selectividad de los componentes individuales de los sensores varían, los sensores tienen un efecto aditivo al crear una huella digital no selectiva para un analito en particular cuando se combinan en una arquitectura de matriz. [1] El reconocimiento de huellas digitales permite la detección de analitos en mezclas. [1] [2] Las matrices de sensores químicos se diferencian de otras pruebas de múltiples analitos, como un ensayo con tira reactiva de análisis de orina , que utiliza múltiples materiales de sensores específicos para la detección dirigida de analitos en una mezcla; [1] en cambio, las matrices de sensores químicos se basan en la reactividad cruzada de los componentes individuales de los sensores para generar huellas digitales basadas en las respuestas aditivas de los componentes del sensor al analito objetivo. [1] [2] [5] [3]

Comparación con otros sensores químicos

Los dispositivos de un solo sensor detectan analitos objetivo basándose en propiedades físicas, ópticas y electrónicas. Algunos sensores contienen objetivos moleculares específicos para proporcionar una unión fuerte y específica con un analito en particular; sin embargo, si bien este enfoque es específico, la mezcla compleja impacta el rendimiento del sensor. Varias de estas mezclas complejas incluyen olores y vapores exhalados de los pulmones. [1] Los sensores químicos individuales a menudo utilizan entornos de detección controlados, y las variaciones en las condiciones ambientales (por ejemplo, temperatura y humedad ) pueden interferir con el rendimiento del sensor. [2] [5] Las matrices de sensores químicos emplean el reconocimiento de patrones de respuestas combinatorias de componentes de sensores reactivos cruzados para permitir la detección de una variedad de mezclas en una variedad de condiciones. [1] [2] [5] [3] Las matrices de sensores químicos a menudo se destacan por imitar los cinco sentidos: audición , gusto , olfato , somatosensibilidad y visión , porque las respuestas combinatorias a los diferentes componentes de la matriz de un analito en particular crean huellas dactilares para analitos o mezclas específicos utilizando interacciones moleculares dirigidas y reconocimiento de patrones. [3] [4]

Historia

La historia de los conjuntos de sensores químicos está estrechamente vinculada con el desarrollo de otras tecnologías de sensores químicos, y la investigación en el área de sensores químicos electrónicos comenzó en la década de 1960 con la demostración de sensores semiconductores de óxido de metal capaces de detectar análisis como el oxígeno. [6] Los humanos son capaces de identificar y discernir entre aproximadamente 10 000 olores o más, mientras que solo poseen 400 receptores olfativos . [3] El procesamiento de señales en el cerebro de las respuestas de los componentes individuales de la matriz de los receptores olfativos da como resultado el reconocimiento de patrones para la discriminación de un olor particular. [3] Uno de los objetivos de diseño de muchos conjuntos de sensores químicos es imitar el rendimiento del olfato para diseñar una nariz electrónica integrada con una variedad de materiales. [7] La ​​combinación de conjuntos de sensores químicos con métodos de reconocimiento de patrones imita los métodos de reconocimiento sensorial biológico. [8] Consulte la Figura 1. Existen sistemas de nariz electrónica disponibles comercialmente y se utilizan en la industria alimentaria para el control de calidad. Los esfuerzos de investigación actuales demuestran la introducción del principio de la nariz electrónica en el monitoreo ambiental y la medicina, tanto como instrumentos comerciales como en dispositivos electrónicos portátiles de consumo. [9] En el centro de los conjuntos de sensores químicos está el principio de que diferentes analitos interactuarán de manera diferente con una variedad de materiales. Como tal, se puede utilizar cualquier tipo de material en un conjunto de sensores, siempre que responda de manera diferente a diferentes analitos o mezclas. A partir de esta idea, los conjuntos de sensores de reactividad cruzada han sido el foco del desarrollo de conjuntos de sensores químicos por su amplia compatibilidad con los compuestos como componentes de mezclas. [1]

Figura 1. El diseño y la inspiración de muchos conjuntos de sensores químicos son uno o más de los cinco sentidos, como el olfato o el gusto. Como se muestra aquí, el proceso mediante el cual se utilizan los datos de los conjuntos de sensores se puede dividir en pasos similares a los de la detección de olores biológicos: 1. adquirir una señal, 2. procesar la señal, 3. comparar la señal con lo que ya se conoce y 4. producir una respuesta.

Procesamiento de señales de matriz

Las señales provenientes de un sensor de matriz deben procesarse y compararse con patrones ya conocidos. Muchas técnicas son útiles para procesar datos de matriz, incluido el análisis de componentes principales (PCA), el análisis de mínimos cuadrados y, más recientemente, el entrenamiento de redes neuronales y la utilización del aprendizaje automático para el desarrollo e identificación de patrones. [1] [4] El aprendizaje automático ha sido un desarrollo más reciente para la generación y el reconocimiento de patrones para datos de matriz de sensores químicos. [10] [11] [12] El método de análisis de datos elegido depende de una variedad de factores, incluidos los parámetros de detección, el uso deseado de la información (cuantitativo o cualitativo) y el método de detección que se puede clasificar en cuatro tipos principales de matriz de sensores químicos: electrónica, óptica, de ondas acústicas y electroquímica. [1] [2] [5]

Conjuntos de sensores químicos electrónicos

El primer tipo de matriz de sensores químicos se basa en la modulación de una señal electrónica para la adquisición de señales. Este tipo de matriz de sensores químicos a menudo utiliza un material semiconductor como semiconductores de óxido metálico , polímeros conductores , nanomateriales o materiales de estructura como estructuras metalorgánicas y covalentes-orgánicas . [1] Una de las arquitecturas de dispositivos más simples para un sensor químico electrónico es un quimiorresistor , y otras arquitecturas incluyen capacitores y transistores ; estos materiales tienen una resistencia que se puede alterar a través de la fisisorción o quimisorción de moléculas objetivo y, por lo tanto, una señal medible como un cambio en la corriente eléctrica , la capacitancia o el voltaje . [1]

Semiconductores de óxido metálico en conjuntos de sensores químicos electrónicos

Los semiconductores de óxido metálico se informaron por primera vez en la década de 1960 como un sensor de quimiorresistencia para la detección de un solo analito de vapores orgánicos. [1] Los primeros sensores quimiorresistivos disponibles comercialmente utilizaron semiconductores de óxido metálico para la detección de monóxido de carbono . [1] [12] Aunque son más conocidos por su uso en detectores de monóxido de carbono , los semiconductores de óxido metálico son capaces de detectar otros analitos a través del ajuste estratégico de su composición. [12] La alta temperatura de funcionamiento requerida para operar estos sensores hace que estos semiconductores sean ineficientes y reaccionen de forma cruzada, particularmente con el agua. [1] [5]

En la década de 1990, varios investigadores de la Universidad de Warwick crearon el primer conjunto de sensores semiconductores de óxido metálico de reactividad cruzada (no selectivo) integrado con software de reconocimiento de patrones para detectar y distinguir vapores orgánicos, incluidos acetona , etanol , metanol y xileno , en mezclas de múltiples analitos. [1] [12] Este sistema de nariz electrónica se conocía como Nariz de Warwick y combinaba semiconductores de óxido de silicio y estaño disponibles comercialmente en un formato de matriz para detección de gases, consulte la Figura 2. [ 13] Los esfuerzos actuales están avanzando en el formato de matrices de semiconductores de óxido metálico utilizando técnicas de microfabricación para permitir diseños de matrices más pequeñas e integración de componentes de procesamiento de señales en cada componente de la matriz. Estos microdispositivos han demostrado ser prometedores con límites de detección reducidos y una capacidad mejorada para distinguir compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono con matrices que contienen diferentes números de dispositivos, y estos sistemas también reducen la cantidad de material del sensor con películas delgadas de óxidos metálicos. [14] También se ha demostrado que la sensibilidad de los sensores se ve influenciada por el cambio de la proporción del metal dentro de cada dispositivo y el procesamiento de datos utilizó el análisis de mínimos cuadrados. [12]

Otro ejemplo de semiconductores de óxido metálico son las matrices de transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET), que consisten en un metal de compuerta catalíticamente activo (como el paladio ) sobre una capa de dióxido de silicio en una base de silicio de tipo p con canales dopados con n adyacentes a la compuerta, y se han utilizado para detectar hidrógeno , amoníaco y etanol. [1] Estos MOSFET a través del analito adsorbido modulan la función de trabajo de la compuerta del semiconductor , lo que provoca cambios en el voltaje a través del dispositivo. [1] Los MOSFET son altamente ajustables pero siguen estando limitados por su reactividad cruzada y altas temperaturas de funcionamiento. [2]

Polímeros intrínsecamente conductores en conjuntos de sensores químicos electrónicos

Varios polímeros intrínsecamente conductores de interés incluyen poliacetileno , politiofeno y polianilina , y otros pueden hacerse conductores a través de procesos que incluyen dopaje químico . [1] [2] La química principal subyacente al mecanismo de detección electrónica de polímeros conductores es la modulación de la conductividad de estos polímeros ante cambios en su estructura física (hinchazón) resultantes de interacciones con analitos (principalmente a través de absorción). [1] Una ventaja de usar polímeros conductores en matrices de sensores es que hay acceso sintético a una vasta biblioteca de polímeros. Como resultado, los polímeros conductores son una alternativa prometedora a los semiconductores de óxido metálico porque se puede usar un mayor número de sensores con diferentes funcionalidades para diseñar una matriz más robusta adaptada a aplicaciones específicas. La identidad del monómero, las condiciones de polimerización y los métodos de fabricación del dispositivo impactan tanto en las propiedades morfológicas como químicas de los polímeros conductores, lo que también contribuye a la mayor variedad de posibles componentes de la matriz que se pueden diseñar. [1] [2] [8] Las limitaciones de las matrices de polímeros conductores son similares a las de los análogos de sensores individuales en que las vías de transducción de señales a través del material polimérico son poco entendidas y ambas tienen dificultades para detectar especies no polares debido a la adsorción mínima al polímero. [1] Hay varios sistemas disponibles comercialmente que se utilizan en el análisis de alimentos y la detección de compuestos orgánicos volátiles ; sin embargo, el progreso para avanzar en matrices de sensores quimiorresistivos que utilizan polímeros conductores ha disminuido a medida que se han desarrollado otros materiales y métodos de detección. [1]

Nanomateriales en conjuntos de sensores químicos electrónicos

Se ha informado sobre el desarrollo de nuevos nanomateriales como el grafeno , los nanotubos de carbono y los materiales de estructura 2D y 3D como nuevas clases de materiales para aplicaciones en matrices de sensores químicos electrónicos. Para el grafeno y los nanotubos de carbono, la funcionalización de la superficie a través de modificación covalente o no covalente y los defectos en el sitio del borde se utilizan como sitios para interacciones anfitrión-huésped . Un ejemplo de ello son los nanotubos de carbono de pared simple modificados con varias metaloporfirinas para permitir la discriminación de compuestos orgánicos volátiles . [15] [16]

Materiales de estructura conductores en conjuntos de sensores químicos electrónicos

Los materiales de estructura conductora tienen mecanismos similares para la detección; sin embargo, estos materiales pueden diseñarse con sitios activos instalados ajustados para una interacción molecular específica. [17] Las estructuras orgánicas metálicas de metaloftalocianina bimetálica (MOF) y las estructuras orgánicas covalentes (COF) han demostrado ser prometedoras en quimiorresistores de un solo dispositivo para la detección de sulfuro de hidrógeno , amoníaco y óxido nítrico . [18] [19] El desarrollo de estos materiales como quimiorresistores permite el diseño estratégico de matrices capaces de interacciones moleculares dirigidas, que pueden emplearse para desarrollar componentes de matriz diseñados para detectar compuestos específicos. La investigación computacional de varias MOF también se ha centrado en optimizar qué combinaciones de MOF son las más adecuadas para detectar componentes particulares en varias mezclas. [20] El enfoque en la curación de componentes de matriz de estructura demostró la oportunidad de diseñar matrices de sensores robustas de forma experimental y computacional. [21] [22]

Conjuntos de sensores químicos electrónicos de materiales mixtos

Se han hecho esfuerzos para superar las limitaciones específicas de las diferentes clases de materiales adecuados para su uso en conjuntos de sensores químicos electrónicos mediante la combinación de sensores fabricados con diferentes materiales en un solo conjunto. [1] Un ejemplo de esto son los nanocables de óxido de metal recubiertos con películas delgadas de MOF, que se ha informado que tienen un rendimiento de detección mejorado en comparación con los sensores fabricados con los materiales individuales. [23] Las mezclas de negro de carbón y polímero también han demostrado una discriminación mejorada de analitos y señales de elementos de matriz para proporcionar una detección mejorada de compuestos orgánicos volátiles tanto en una variedad de clases como dentro de la misma clase. [24] [25]

Los polímeros impresos molecularmente también se han integrado en formatos de matriz y han demostrado ser útiles, ya que el proceso de impresión permite que las matrices de polímeros impresos molecularmente se adapten a analitos específicos. [26]

Conjuntos de sensores químicos ópticos/colorimétricos

Figura 2. Descripción general de los principios subyacentes a las matrices de sensores colorimétricos y fluorométricos. 1. Matriz de varios sensores colorimétricos y/o fluorométricos construida. 2-3. La exposición de la matriz a analitos particulares permite la identificación de huellas dactilares de los componentes. 4. El análisis multicomponente de una mezcla se puede lograr con el reconocimiento de patrones de huellas dactilares conocidas. Este proceso es otra generalización de la Figura 1. Adaptado de la Figura creada por Askim y coautores. [3]

Aparte de las matrices de sensores químicos electrónicos, existen matrices de sensores químicos ópticos que investigan las interacciones químicas entre los analitos objetivo y un material sensor con luz ( ultravioleta , visible , infrarroja ). Generalmente, los sensores ópticos investigan las interacciones químicas con la luz a través de una variedad de métodos cuantificables que incluyen absorbancia , difracción , fluorescencia , refracción y dispersión . [3] [4] Generalmente, los sensores de fluorescencia muestran una mayor sensibilidad que otros métodos ópticos. [3] Los sensores ópticos constan de una fuente de luz, filtro(s) de longitud de onda, una muestra y un detector, con variaciones en el diseño del sensor según el método utilizado. [3] De manera similar a la nariz electrónica, las matrices de sensores químicos ópticos se han categorizado bajo el tema general de nariz optoelectrónica y funcionan de manera similar desarrollando huellas dactilares para compuestos específicos y utilizando el reconocimiento de patrones para identificar esos componentes en la mezcla. La Figura 2 muestra los principios subyacentes a las matrices de sensores colorimétricos y fluorométricos. Las interacciones químicas con tintes dan como resultado cambios en la luz que se detecta en un sensor óptico.

Los sensores ópticos requieren una interacción selectiva con los analitos y se requieren dos componentes: un material de sonda y un cromo o fluoróforo . [3] [4] Las matrices ópticas y de fluorescencia con reactividad cruzada requieren una consideración estratégica de las interacciones moleculares entre las sondas y los analitos. Al igual que las matrices de sensores químicos eléctricos, las matrices de sensores químicos ópticos enfrentan desafíos en la detección en presencia de analitos competitivos como el agua. [1] [2] [3] La consideración de las interacciones anfitrión-huésped permite que una matriz sondee una variedad de características moleculares porque la integración de "sensores promiscuos" (no selectivos) como los polímeros ópticamente activos permiten la detección no discriminatoria de una variedad de compuestos principalmente basados ​​en la hidrofobicidad , y los llamados sensores "monógamos" con unión exclusiva a un analito en particular (muy parecido a un diseño de cerradura y llave) mejorarán la especificidad y aplicabilidad de una matriz de sensores colorimétricos. Independientemente del tipo de sonda de detección, existen cinco tipos principales de interacción intermolecular que conducen a un cambio colorimétrico medible en un material. [3]

Interacciones ácido-base de Brønsted-Lowry en conjuntos de sensores químicos colorimétricos

Las interacciones ácido-base de Brønsted-Lowry, como las de los colorantes que se utilizan habitualmente como indicadores de pH, son uno de los primeros métodos de detección colorimétrica. Desde principios del siglo XX, los colorantes naturales como la 7-hidroxiohenoxazona ( tornasol ) y el colorante antocianinoxonio se han utilizado tanto como indicadores de pH como sensores colorimétricos. [4] Se han desarrollado muchos otros cromóforos con funcionalidad ácido-base de Brønsted-Lowry, como los colorantes azoicos , los nitrofenoles , las ftaleínas y las sulfonftaleínas. [4] La funcionalidad ácido-base de Brønsted-Lowry de estos cromóforos se relaciona con fracciones químicas específicas dentro de sus estructuras y su pKa correspondiente . Los cambios de color resultantes de los eventos de protonación / desprotonación pueden definirse en términos generales como interacciones intermoleculares con un ácido o una base de una fuerza y/o concentración particular. [3] [4]

Interacciones ácido-base de Lewis en conjuntos de sensores químicos colorimétricos

Si bien las interacciones ácido-base de Brønsted-Lowry son sensibles a una amplia gama de compuestos, las interacciones ácido-base de Lewis comprenden algunos de los conjuntos más sensibles de interacciones intermoleculares relevantes para las matrices de sensores químicos colorimétricos. [3] La selectividad de las interacciones ácido-base de Lewis en la detección química se ve subrayada por el hecho de que los olores más penetrantes surgen de las bases de Lewis ( tioles , fosfinas , aminas ) y los receptores olfativos que contienen cationes metálicos utilizados para detectarlos en algunas de las concentraciones más bajas de todos los motivos moleculares en biología utilizan receptores de ácido de Lewis. [3] Los tintes de ácido de Lewis (es decir, cationes metálicos con un sitio de coordinación abierto ) se utilizan en el olfato biológico para la detección. [4] Como tal, los ácidos de Lewis como las metaloporfirinas son de particular interés para los investigadores que desarrollan sensores colorimétricos debido a sus fuertes interacciones ácido-base de Lewis. [4]

Figura 3. La nariz electrónica portátil (HEN) emplea un conjunto de sensores químicos para evaluar la fermentación del té y permitir la optimización de la preparación y la calidad del té.

Otras interacciones en conjuntos de sensores químicos colorimétricos

Archivo:Cyranose 320 Labelled.jpg

Figura 4. Diagrama de la nariz electrónica Cyranose 320 que emplea una matriz de 32 polímeros de carbono negro para la detección de bacterias que causan infecciones oculares. Imagen proporcionada por Cyranose Sciences Inc. [27]

Se ha demostrado que una variedad de otras interacciones moleculares reversibles producen cambios de color al interactuar con analitos. Estos incluyen cromóforos y fluoróforos activos redox que experimentan cambios de color específicos a diferentes potenciales aplicados. [3] [4] También existe una variedad de colorantes como la merocianina y el azobenceno que muestran cambios de color basados ​​en la polaridad de su entorno. [3] Un mecanismo de "empujar-tirar" de la densidad electrónica a través de estos sistemas mediante interacciones intermoleculares da como resultado un aumento de sus momentos dipolares entre los estados fundamental y excitado , lo que se manifiesta como cambios observables en la transición óptica . [4] El desarrollo de nanomateriales ha permitido la modificación de la superficie de ciertos colorantes (especialmente colorantes activos redox) para proporcionar una alta sensibilidad debido a una mayor relación área superficial a volumen que resulta en sitios más activos para la interacción del analito con los colorantes. [28]

Fabricación de una matriz de sensores químicos colorimétricos

A diferencia de los materiales utilizados en los conjuntos de sensores químicos electrónicos, en los que la interacción directa entre el material de detección y un analito conduce a la transducción de señales como un cambio en la conductividad o el voltaje, la fabricación de conjuntos de sensores colorimétricos requiere la consideración tanto de la interacción analito-sustrato como de la transducción de la señal óptica. [29] Un método para la fabricación de conjuntos de sensores colorimétricos implica la preparación de microesferas suspendiendo colorantes en una matriz inerte y transparente. Estas microesferas luego se incorporan a la fibra óptica . [3] Otros métodos para fabricar conjuntos de sensores colorimétricos incluyen la impresión de colorantes fluorados y colorimétricos de conjuntos (ya sea directamente o en una matriz nanoporosa) sobre varios sustratos que incluyen papel , gel de sílice o membranas de polímero porosas . [3]

La inclusión de imágenes digitales y/o iluminación de elementos de matriz de sensores químicos ópticos permite una transducción de señales rápida y en tiempo real de mediciones de datos colorimétricos en tiempo real de datos colorimétricos y fluorescentes de sensores en placas o microesferas. [3] [28] Los detectores pueden procesar longitudes de onda de luz específicas o emplear programas de procesamiento de imágenes RGB para analizar datos obtenidos a partir de imágenes directas de una matriz de sensores. [3] Al igual que las matrices de sensores químicos electrónicos, las matrices de sensores químicos ópticos se están miniaturizando utilizando técnicas de microfabricación para aumentar la aplicabilidad. Los avances recientes en matrices de sensores químicos ópticos han dado como resultado que las matrices de sensores se integren directamente en escáneres de superficie plana y dispositivos electrónicos móviles como teléfonos inteligentes (a través de la fabricación de microplacas). [3] Estas matrices de microplacas permiten el análisis colorimétrico de mezclas complejas en una variedad de fases con aplicaciones en la identificación de productos químicos industriales tóxicos utilizando pigmentos nanoporosos de reactividad cruzada, [30] el diagnóstico de cáncer utilizando una matriz de nanopartículas de oro -proteínas fluorescentes verdes, [31] y el desarrollo y evaluación de bibliotecas combinatorias de complejos de metal-colorante como sensores en sí mismos. [32]

Otros tipos de conjuntos de sensores químicos

Aunque son menos comunes, existen otras dos clasificaciones de dispositivos con funcionalidad demostrada como conjuntos de sensores químicos: los dispositivos de ondas y los sensores electroquímicos.

Dispositivos de ondas como conjuntos de sensores químicos

Existen varios tipos principales de dispositivos de ondas, incluidos los dispositivos de ondas acústicas, los resonadores de modo de corte de espesor (TSM) y las microbalanzas de cristal de cuarzo . Estos dispositivos oscilan a frecuencias conocidas y sus frecuencias de oscilación se modulan mediante cambios en la masa del dispositivo. Estos dispositivos pueden modificarse con la pluralidad de materiales ya analizados como materiales útiles en la matriz de sensores químicos. [1] Todos estos materiales se caracterizan por la amplia compatibilidad de sus interacciones intermoleculares, así como por las interacciones selectivas con una variedad de compuestos, que cuando se combinan entre sí permiten la detección de huellas dactilares de compuestos en mezclas. [1]

La modificación de dispositivos de ondas con materiales como ménsulas de óxido de metal micromaquinadas recubiertas de películas de polímero permiten una mejor detección de mezclas de compuestos orgánicos volátiles, así como gas hidrógeno y vapor de mercurio . [33] [34] Los dispositivos de ondas acústicas de superficie y en masa se han utilizado en sensores de orden superior en los que el material de detección da lugar a múltiples modos de transducción de señales, como eléctrico y óptico; además, los mismos dispositivos de ondas también se han utilizado para crear matrices de sensores químicos virtuales, en los que se procesan aún más los datos de un componente del sensor. [35] Una matriz de sensores químicos de microbalanzas de cristal de cuarzo de superficie modificada con una variedad de materiales que incluyen ftalocianina de cobre, nanotubos de carbono de pared simple y múltiple se mostró como una nariz electrónica prometedora para la detección de gases cuando se emplearon algoritmos de aprendizaje automático para el procesamiento de datos. [36]

Conjuntos de sensores electroquímicos

Otra clase de dispositivos utilizables en matrices de sensores químicos son los electrodos. Comúnmente, los sensores basados ​​en electroquímica se conocen como lenguas electrónicas . [37] La ​​modificación de la superficie de un electrodo en un sistema multielectrodo permite la orientación de interacciones moleculares específicas. [37] Los materiales de membrana semipermeable permiten que los electrodos se conviertan en sensores a través de su capacidad para oxidar o reducir selectivamente los analitos objetivo. [1] Un ejemplo incluye el uso de una matriz de sensores de membrana semipermeable hechos de polímeros potenciométricos como el poli(cloruro de vinilo) que han demostrado su capacidad para monitorear las concentraciones de nitrato , nitrito y amonio en solución acuosa. [38] Se han desarrollado métodos voltamétricos y potenciométricos, y esta técnica es un área activa de investigación no solo para el análisis de múltiples analitos de soluciones acuosas como el líquido cefalorraquídeo , sino también la diferenciación de productos redox en reacciones electroquímicas. [26] [37]

Ejemplos de conjuntos de sensores químicos con usos en el mundo real

Existe una gran variedad de investigaciones bien entendidas y emergentes enfocadas en el desarrollo de conjuntos de sensores químicos para una variedad de aplicaciones. Se han propuesto dispositivos analíticos integrados con un conjunto de sensores químicos como pruebas de diagnóstico para el cáncer , infecciones bacterianas [39] basadas en el análisis de huellas dactilares del aliento exhalado, así como para el control de calidad de alimentos y productos. [40] Algunos ejemplos incluyen:

Referencias

  1. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa ab Albert, Keith J.; Lewis, Nathan S.; Schauer, Caroline L.; Sotzing, Gregory A.; Stitzel, Shannon E.; Vaid, Thomas P.; Walt, David R. (1 de julio de 2000). "Matrices de sensores químicos con reactividad cruzada". Chemical Reviews . 100 (7): 2595–2626. doi :10.1021/cr980102w. ISSN  0009-2665. PMID  11749297.
  2. ^ abcdefghij Johnson, Kevin J.; Rose-Pehrsson, Susan L. (10 de julio de 2015). "Diseño de matriz de sensores para tareas de detección complejas". Revisión anual de química analítica . 8 (1): 287–310. Bibcode :2015ARAC....8..287J. doi :10.1146/annurev-anchem-062011-143205. ISSN  1936-1327. PMID  26132346.
  3. ^ abcdefghijklmnopqrstu vw Li, Zheng; Askim, Jon R.; Suslick, Kenneth S. (9 de enero de 2019). "La nariz optoelectrónica: matrices de sensores colorimétricos y fluorométricos". Chemical Reviews . 119 (1): 231–292. doi :10.1021/acs.chemrev.8b00226. ISSN  0009-2665. PMID  30207700. S2CID  206542436.
  4. ^ abcdefghijkl Askim, Jon R.; Mahmoudi, Morteza; Suslick, Kenneth S. (21 de octubre de 2013). "Matrices de sensores ópticos para detección química: la nariz optoelectrónica". Chemical Society Reviews . 42 (22): 8649–8682. doi :10.1039/C3CS60179J. ISSN  1460-4744. PMID  24091381.
  5. ^ abcde Janata, Jiří; Josowicz, Mira; Vanýsek, Petr; DeVaney, D. Michael (1 de junio de 1998). "Sensores químicos". Química Analítica . 70 (12): 179–208. doi :10.1021/a1980010w. ISSN  0003-2700.
  6. ^ Seiyama, Tetsuro; Kato, Akio; Fujiishi, Kiyoshi; Nagatani, Masanori (1962-10-01). "Un nuevo detector para componentes gaseosos utilizando películas delgadas semiconductoras". Química analítica . 34 (11): 1502–1503. doi :10.1021/ac60191a001. ISSN  0003-2700.
  7. ^ Svechtarova, Mila I.; Buzzacchera, Irene; Toebes, B. Jelle; Lauko, Jan; Anton, Nicoleta; Wilson, Christopher J. (2016). "Dispositivos sensores inspirados en los cinco sentidos: una revisión". Electroanálisis . 28 (6): 1201–1241. doi : 10.1002/elan.201600047 . ISSN  1521-4109.
  8. ^ ab Cuypers, Wim; Lieberzeit, Peter A. (2018). "Combinación de dos principios de selección: matrices de sensores basadas en reconocimiento biomimético y quimiometría". Frontiers in Chemistry . 6 : 268. doi : 10.3389/fchem.2018.00268 . ISSN  2296-2646. PMC 6088186 . PMID  30128311. 
  9. ^ Dickinson, Todd A; White, Joel; Kauer, John S; Walt, David R (1 de junio de 1998). "Tendencias actuales en la tecnología de 'nariz artificial'". Tendencias en biotecnología . 16 (6): 250–258. doi :10.1016/S0167-7799(98)01185-8. ISSN  0167-7799. PMID  9652136.
  10. ^ Schroeder, Vera; Evans, Ethan D.; Wu, You-Chi Mason; Voll, Constantin-Christian A.; McDonald, Benjamin R.; Savagatrup, Suchol; Swager, Timothy M. (23 de agosto de 2019). "Matriz de sensores quimiorresistivos y clasificación de alimentos mediante aprendizaje automático". ACS Sensors . 4 (8): 2101–2108. doi :10.1021/acssensors.9b00825. hdl : 1721.1/128141 . PMID  31339035. S2CID  198192747.
  11. ^ Jurs, PC; Bakken, GA; McClelland, HE (1 de julio de 2000). "Métodos computacionales para el análisis de datos de matrices de sensores químicos a partir de analitos volátiles". Chemical Reviews . 100 (7): 2649–2678. doi :10.1021/cr9800964. ISSN  0009-2665. PMID  11749299.
  12. ^ abcde Wolfrum, Edward J.; Meglen, Robert M.; Peterson, Darren; Sluiter, Justin (23 de mayo de 2006). "Matrices de sensores de óxido metálico para la detección, diferenciación y cuantificación de compuestos orgánicos volátiles a niveles de concentración de subpartes por millón". Sensores y actuadores B: Química . 115 (1): 322–329. Bibcode :2006SeAcB.115..322W. doi :10.1016/j.snb.2005.09.026. ISSN  0925-4005.
  13. ^ "Narices electrónicas". warwick.ac.uk . Consultado el 24 de febrero de 2021 .
  14. ^ Su, Ming; Li, Shuyou; Dravid, Vinayak P. (1 de agosto de 2003). "Matriz de sensores multiplexados químicos miniaturizados". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 125 (33): 9930–9931. doi :10.1021/ja035727c. ISSN  0002-7863. PMID  12914449.
  15. ^ Liu, Sophie F.; Moh, Lionel CH; Swager, Timothy M. (26 de mayo de 2015). "Matrices de sensores de gas quimiorresistivos de metaloporfirina y nanotubos de carbono de pared simple para compuestos orgánicos volátiles". Química de materiales . 27 (10): 3560–3563. doi :10.1021/acs.chemmater.5b00153. hdl : 1721.1/108262 . ISSN  0897-4756. S2CID  100421482.
  16. ^ Shirsat, Mahendra D.; Sarkar, Tapan; Kakoullis, James; Myung, Nosang V.; Konnanath, Bharatan; Spanias, Andreas; Mulchandani, Ashok (9 de febrero de 2012). "Matrices de sensores quimiorresistivos de nanotubos de carbono de pared simple funcionalizados con porfirina para COV". Revista de química física C . 116 (5): 3845–3850. doi :10.1021/jp210582t. ISSN  1932-7447. PMC 3292351 . PMID  22393460. 
  17. ^ Campbell, Michael G.; Liu, Sophie F.; Swager, Timothy M.; Dincă, Mircea (4 de noviembre de 2015). "Matrices de sensores quimiorresistivos a partir de estructuras metalorgánicas 2D conductivas". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 137 (43): 13780–13783. doi : 10.1021/jacs.5b09600 . hdl : 1721.1/110513 . ISSN  0002-7863. PMID  26456526.
  18. ^ Meng, Zheng; Aykanat, Aylin; Mirica, Katherine A. (6 de febrero de 2019). "Soldadura de metaloftalocianinas en mallas moleculares bimetálicas para la detección quimiorresistiva de gases ultrasensible y de baja potencia". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 141 (5): 2046–2053. doi :10.1021/jacs.8b11257. ISSN  0002-7863. PMID  30596491. S2CID  58654557.
  19. ^ Meng, Zheng; Stolz, Robert M.; Mirica, Katherine A. (31 de julio de 2019). "Marco orgánico covalente quimiorresistivo bidimensional con alta conductividad intrínseca". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 141 (30): 11929–11937. doi :10.1021/jacs.9b03441. ISSN  0002-7863. PMID  31241936. S2CID  195694903.
  20. ^ Gustafson, Jenna A.; Wilmer, Christopher E. (23 de marzo de 2017). "Diseño computacional de matrices de estructuras metalorgánicas para detección de gases: influencia del tamaño y la composición de la matriz en el rendimiento del sensor". The Journal of Physical Chemistry C . 121 (11): 6033–6038. doi :10.1021/acs.jpcc.6b09740. ISSN  1932-7447.
  21. ^ Sousa, Rachel; Simon, Cory M. (24 de diciembre de 2020). "Evaluación de la idoneidad de combinaciones de adsorbentes para conjuntos de sensores de gas cuantitativos". Sensores ACS . 5 (12): 4035–4047. doi :10.1021/acssensors.0c02014. PMID  33297672. S2CID  228087991.
  22. ^ Sturluson, Arni; Sousa, Rachel; Zhang, Yujing; Huynh, Melanie T.; Laird, Caleb; York, Arthur HP; Silsby, Carson; Chang, Chih-Hung; Simon, Cory M. (5 de febrero de 2020). "Curación de estructuras metalorgánicas para componer matrices de sensores de gas robustas en condiciones diluidas". ACS Applied Materials & Interfaces . 12 (5): 6546–6564. doi :10.1021/acsami.9b16561. ISSN  1944-8244. PMID  31918544. S2CID  210133455.
  23. ^ Yao, Ming-Shui; Tang, Wen-Xiang; Wang, Guan-E.; Nath, Bhaskar; Xu, Gang (2016). "Matriz de nanocables de óxido metálico recubiertos con película delgada MOF: rendimiento del sensor de quimiorresistencia significativamente mejorado". Materiales avanzados . 28 (26): 5229–5234. Bibcode :2016AdM....28.5229Y. doi :10.1002/adma.201506457. ISSN  1521-4095. PMID  27153113. S2CID  205267428.
  24. ^ Doleman, Brett J.; Sanner, Robert D.; Severin, Erik J.; Grubbs, Robert H.; Lewis, Nathan S. (1 de julio de 1998). "Uso de mezclas de polímeros compatibles para fabricar conjuntos de detectores de vapor compuestos de polímero y negro de carbón". Química analítica . 70 (13): 2560–2564. doi :10.1021/ac971238h. ISSN  0003-2700. PMID  9666726.
  25. ^ Lonergan, Mark C.; Severin, Erik J.; Doleman, Brett J.; Beaber, Sara A.; Grubbs, Robert H.; Lewis, Nathan S. (1 de enero de 1996). "Detección de vapor basada en matriz utilizando resistencias de polímero de negro de carbón químicamente sensibles". Química de materiales . 8 (9): 2298–2312. doi :10.1021/cm960036j. ISSN  0897-4756.
  26. ^ ab Shimizu, Ken D; Stephenson, Clifton J (1 de diciembre de 2010). "Matrices de sensores de polímeros con impronta molecular". Current Opinion in Chemical Biology . Sistemas modelo/Síntesis y modificación biomolecular. 14 (6): 743–750. doi :10.1016/j.cbpa.2010.07.007. ISSN  1367-5931. PMID  20685156.
  27. ^ "Sensigent". sensigent.com . Consultado el 24 de febrero de 2021 .
  28. ^ ab Patil, Virendra S.; Lee, Myung-Goo; Yun, Jaesub; Lee, Jong-Seok; Lim, Sung H.; Yi, Gi-Ra (30 de octubre de 2018). "Sustratos porosos empaquetados con nanopartículas de perfluoroalcoxi resistentes a productos químicos y su uso en matrices de sensores colorimétricos". Langmuir . 34 (43): 13014–13024. doi :10.1021/acs.langmuir.8b02481. ISSN  0743-7463. PMID  30278141. S2CID  52911828.
  29. ^ Aernecke, Matthew J.; Walt, David R. (5 de noviembre de 2009). "Matrices de fibra óptica para detección de vapor". Sensores y actuadores B: Química . Número especial en honor al profesor Ingemar Lundström. 142 (2): 464–469. Bibcode :2009SeAcB.142..464A. doi :10.1016/j.snb.2009.06.054. ISSN  0925-4005.
  30. ^ Feng, Liang; Musto, Christopher J.; Kemling, Jonathan W.; Lim, Sung H.; Zhong, Wenxuan ; Suslick, Kenneth S. (15 de noviembre de 2010). "Matriz de sensores colorimétricos para la determinación e identificación de productos químicos industriales tóxicos". Química analítica . 82 (22): 9433–9440. doi :10.1021/ac1020886. ISSN  0003-2700. PMID  20954720. S2CID  10276875.
  31. ^ Rana, Subinoy; Singla, Arvind K.; Bajaj, Avinash; Elci, S. Gokhan; Miranda, Oscar R.; Mout, Rubul; Yan, Bo; Jirik, Frank R.; Rotello, Vincent M. (25 de septiembre de 2012). "Detección basada en matrices de células y tejidos metastásicos mediante conjugados de nanopartículas y proteínas fluorescentes". ACS Nano . 6 (9): 8233–8240. doi :10.1021/nn302917e. ISSN  1936-0851. PMC 3603354 . PMID  22920837. 
  32. ^ Rochat, Sébastien; Severin, Kay (12 de julio de 2010). "Detección basada en patrones con complejos de metal-colorante: matrices de sensores frente a bibliotecas combinatorias dinámicas". Journal of Combinatorial Chemistry . 12 (4): 595–599. doi :10.1021/cc1000727. ISSN  1520-4766. PMID  20518552.
  33. ^ Crooks, Richard M.; Ricco, Antonio J. (31 de julio de 1997). "Nuevos materiales orgánicos adecuados para su uso en conjuntos de sensores químicos". Archivado desde el original el 1 de junio de 2022. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  34. ^ Lange, Dirk; Hagleitner, Christoph; Hierlemann, Andreas; Brand, Oliver; Baltes, Henry (1 de julio de 2002). "Matrices Cantilever de semiconductores de óxido metálico complementarios en un solo chip: detección sensible a la masa de compuestos orgánicos volátiles". Química analítica . 74 (13): 3084–3095. doi :10.1021/ac011269j. ISSN  0003-2700. PMID  12141668.
  35. ^ Länge, Kerstin (6 de diciembre de 2019). "Matrices de sensores de ondas acústicas de superficie y en masa para la detección de múltiples analitos: una revisión". Sensors (Basilea, Suiza) . 19 (24): 5382. Bibcode :2019Senso..19.5382L. doi : 10.3390/s19245382 . ISSN  1424-8220. PMC 6960530. PMID 31817599  . 
  36. ^ Muckley, Eric S.; Anazagasty, Cristain; Jacobs, Christopher B.; Hianik, Tibor; Ivanov, Ilia N. (27 de septiembre de 2016). Kymissis, Ioannis; Shinar, Ruth; Torsi, Luisa (eds.). "Matriz de microbalanzas de cristal de cuarzo escalable de bajo costo para detección ambiental". Sensores orgánicos y bioelectrónica IX . 9944 . Sociedad Internacional de Óptica y Fotónica: 99440Y. Código Bibliográfico :2016SPIE.9944E..0YM. doi :10.1117/12.2237942. S2CID  114696805.
  37. ^ abc Bratov, A.; Abramova, N.; Ipatov, A. (30 de septiembre de 2010). "Tendencias recientes en matrices de sensores potenciométricos: una revisión". Analytica Chimica Acta . 678 (2): 149–159. Bibcode :2010AcAC..678..149B. doi :10.1016/j.aca.2010.08.035. ISSN  0003-2670. PMID  20888446.
  38. ^ Nuñez, L.; Cetó, X.; Pividori, MI; Zanoni, MVB; Del Valle, M. (2013-09-01). "Desarrollo y aplicación de una lengua electrónica para la detección y monitorización de niveles de nitrato, nitrito y amonio en aguas". Microchemical Journal . 110 : 273–279. doi : 10.1016/j.microc.2013.04.018 . ISSN  0026-265X.
  39. ^ "Aspectos destacados de la investigación médica". sensigent.com . 14 de marzo de 2018 . Consultado el 17 de julio de 2023 .
  40. ^ Anthes, Emily. "Las narices electrónicas podrían hacer que las enfermedades sean algo que olfatear". Scientific American . Consultado el 24 de febrero de 2021 .
  41. ^ Shan, Benjie; Broza, Yoav Y.; Li, Wenjuan; Wang, Yong; Wu, Sihan; Liu, Zhengzheng; Wang, Jiong; Gui, Shuyu; Wang, Lin; Zhang, Zhihong; Liu, Wei (2020-09-22). "Matriz de sensores basada en nanomateriales multiplexados para la detección de COVID-19 en el aliento exhalado". ACS Nano . 14 (9): 12125–12132. doi :10.1021/acsnano.0c05657. ISSN  1936-0851. PMC 7457376 . PMID  32808759. 
  42. ^ "LOBO - Enose". warwick.ac.uk . Consultado el 24 de febrero de 2021 .
  43. ^ Pavlou, Alexandros K.; Magan, Naresh; McNulty, Cliodna; Jones, Jeff; Sharp, Dorothy; Brown, Jonathon; Turner, Anthony PF (15 de julio de 2002). "Uso de un sistema de nariz electrónica para el diagnóstico de infecciones del tracto urinario". Biosensores y bioelectrónica . 17 (10): 893–899. doi :10.1016/s0956-5663(02)00078-7. ISSN  0956-5663. PMID  12243908.
  44. ^ "Nariz electrónica Cyranose 320". sensigent.com . 14 de marzo de 2018 . Consultado el 17 de julio de 2023 .
  45. ^ Dutta, Ritaban; Hines, Evor L.; Gardner, Julian W.; Boilot, Pascal (16 de octubre de 2002). "Clasificación de bacterias utilizando la nariz electrónica Cyranose 320". Ingeniería Biomédica en Línea . 1 (1): 4. doi : 10.1186/1475-925X-1-4 . ISSN  1475-925X. PMC 149373 . PMID  12437783.