Se ajustó una nariz electrónica al eje perceptivo de la agrado de los olores, es decir, un eje que va desde muy agradable (por ejemplo, rosa) a muy desagradable (por ejemplo, zorrillo). Esto permitió que la nariz electrónica oliera olores nuevos que nunca había sentido antes, pero aun así generara estimaciones de agrado de olores que coincidían en gran medida con las evaluaciones humanas independientemente del trasfondo cultural del sujeto. Esto sugiere un componente innato del agrado de los olores que está estrechamente vinculado a la estructura molecular [1]
Una nariz electrónica es un dispositivo de detección electrónico diseñado para detectar olores o sabores . La expresión "detección electrónica" se refiere a la capacidad de reproducir los sentidos humanos mediante conjuntos de sensores y sistemas de reconocimiento de patrones .
Desde 1982, [2] se han llevado a cabo investigaciones para desarrollar tecnologías, comúnmente denominadas narices electrónicas, que podrían detectar y reconocer olores y sabores. Las etapas del proceso de reconocimiento son similares a las del olfato humano y se llevan a cabo para la 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 se realiza generalmente mediante análisis sensorial humano, mediante sensores químicos o mediante cromatografía de gases . Esta última técnica proporciona información sobre los 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 vídeo y el elemento biológico son cinco avispas parásitas que han sido condicionadas a formar enjambres 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:
¿Has medido alguna vez un olor? ¿Puedes decir si un olor es el doble de 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 de las violetas y las rosas hasta el de la asafétida. Pero hasta que no puedas medir sus semejanzas y diferencias, no puedes tener una ciencia del olor. Si tienes la ambición de encontrar una nueva ciencia, mide un olor.
—Alexander Graham Bell, 1914 [5]
En las décadas transcurridas desde que Bell hizo esta observación, no se materializó ninguna ciencia de los olores, y no fue hasta los años 1950 y después que se lograron avances reales. [4] Un problema común en la detección de olores es que no implica medir energía, sino partículas físicas. [6]
Principio de funcionamiento
La nariz electrónica fue desarrollada con el fin de imitar el olfato humano que funciona como un mecanismo no separativo: es decir, un olor/sabor se percibe como una huella digital global. [7] Esencialmente, el instrumento consta de un muestreo del espacio de cabeza, una matriz de sensores químicos y módulos de reconocimiento de patrones, para generar patrones de señales que se utilizan para caracterizar los olores. [8]
Las narices electrónicas incluyen tres partes principales: un sistema de suministro de muestras, un sistema de detección y un sistema informático. [9]
El sistema de suministro de muestras permite generar el espacio de cabeza (compuestos volátiles) de una muestra, que es la fracción analizada. A continuación, el sistema inyecta este espacio de cabeza en el sistema de detección de la nariz electrónica. El sistema de suministro de muestras es esencial para garantizar condiciones de funcionamiento constantes. [8]
El sistema de detección, que consta de un conjunto de sensores, es la parte "reactiva" del instrumento. Al entrar en contacto con compuestos volátiles, los sensores reaccionan, es decir, experimentan un cambio en sus propiedades eléctricas. [8]
En la mayoría de las narices electrónicas, cada sensor es sensible a todas las moléculas volátiles, pero cada una de ellas a su manera específica. Sin embargo, en las narices bioelectrónicas se utilizan proteínas receptoras que responden a moléculas de olor específicas. La mayoría de las narices electrónicas utilizan conjuntos 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 en el sensor. [10] La interfaz electrónica registra una respuesta específica y transforma la señal en un valor digital. Los datos registrados se calculan a continuación basándose en modelos estadísticos. [11]
Las narices bioelectrónicas utilizan receptores olfativos (proteínas clonadas de organismos biológicos, como los humanos, que se unen a moléculas de olor específicas). Un grupo ha desarrollado una nariz bioelectrónica que imita los sistemas de señalización que utiliza la nariz humana para percibir olores con una sensibilidad muy alta: concentraciones femtomolares. [12]
Los sensores más utilizados para narices electrónicas incluyen:
Dispositivos semiconductores de óxido metálico (MOS): los sensores semiconductores de óxido metálico contienen un revestimiento de óxido metálico con una resistencia eléctrica que cambia en presencia de un gas objetivo. La presencia del gas objetivo se puede inferir midiendo el cambio en la resistencia de la capa de óxido metálico a lo largo del tiempo. [13]
compuestos poliméricos: similares en su uso a los polímeros conductores, pero formulados a partir de polímeros no conductores con la adición de material conductor como negro de carbón.
Microbalanza de cristal de cuarzo (QCM): una forma de medir la masa por unidad de área midiendo el cambio en la frecuencia de un resonador de cristal de cuarzo. Esto se puede almacenar en una base de datos y utilizar como 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. [15]
Los espectrómetros de masas se pueden miniaturizar para formar un dispositivo de análisis de gases de uso general. [16]
Algunos dispositivos combinan varios tipos de sensores en un único dispositivo, por ejemplo, los QCM recubiertos de polímero. La información independiente da lugar a dispositivos mucho más sensibles y eficientes. [17]
Los estudios del flujo de aire alrededor de las narices de los perros 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 mejor alcance y velocidad de respuesta [18].
En los últimos años se han desarrollado otros tipos de narices electrónicas que utilizan la espectrometría de masas o la cromatografía de gases ultrarrápida como sistema de detección. [11]
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 la huella digital y proporciona resultados y representaciones que pueden interpretarse fácilmente. Además, los resultados de la nariz electrónica se pueden correlacionar con los obtenidos a partir de 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), [19] lógica difusa , métodos quimiométricos, [20] módulos de reconocimiento de patrones, etc. [21] La inteligencia artificial, incluida la red neuronal artificial (ANN), es una técnica clave para la gestión de olores ambientales. [22]
Realizar 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 contenidas en su base de datos. De este modo, pueden realizar análisis cualitativos o cuantitativos. Sin embargo, esto también puede presentar 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, lo que dará como resultado resultados incorrectos o inexactos según la función principal de una nariz. [23] El ejemplo del conjunto de datos de nariz electrónica también está disponible. [24] Este conjunto de datos se puede utilizar como referencia para el procesamiento de señales de nariz electrónica, en particular 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
La nariz electrónica desarrollada en el Departamento de Química Analítica (Facultad de Química de la Universidad Tecnológica de Gdansk ) permite clasificar rápidamente muestras de alimentos o ambientales.
Los laboratorios de investigación y desarrollo, laboratorios de control de calidad y departamentos de procesos y producción utilizan instrumentos de nariz electrónica para diversos propósitos:
En laboratorios de control de calidad
Conformidad de materias primas, productos intermedios y finales
Consistencia de lote a lote
Detección de contaminación, deterioro, adulteración [25] [26]
Selección de origen o proveedor
Monitoreo de las condiciones de almacenamiento [27]
Monitoreo de la calidad de la carne. [28] [29]
En departamentos de proceso y producción
Gestión de la variabilidad de las materias primas
Comparación con un producto de referencia
Medición y comparación de los efectos del proceso de fabricación sobre los productos.
Seguimiento de la eficiencia del proceso de limpieza in situ
Monitoreo de ampliación
Monitoreo de limpieza en sitio.
En fases de desarrollo de productos
Perfil sensorial y comparación de varias formulaciones o recetas
Evaluación comparativa 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 el software que se ha desarrollado específicamente para reconocer el olor del MRSA ( Staphylococcus aureus resistente a la meticilina ). [30] También es capaz de reconocer S. aureus sensible a la meticilina (MSSA) entre muchas otras sustancias. Se ha teorizado que si se coloca con cuidado en los sistemas de ventilación de los hospitales, 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. [31] [32] [33]
El control de calidad de los productos alimenticios, ya que podría colocarse convenientemente en el envase de alimentos para indicar claramente cuando el alimento ha comenzado a pudrirse o usarse en el campo para detectar contaminación bacteriana o de insectos. [35]
Los implantes nasales podrían advertir de la presencia de gas natural, para quienes tienen anosmia o un olfato débil.
La Brain Mapping Foundation utilizó la nariz electrónica para detectar células cancerosas cerebrales. [36] [37] [38] [39] [40] [41]
Posibles y futuras aplicaciones en el ámbito de la prevención del delito y la seguridad
La capacidad de la nariz electrónica para detectar olores inodoros la 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.
También puede utilizarse 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 con una precisión de unos pocos metros en menos de unos segundos.
Existen sistemas de demostración que detectan los vapores emitidos por los explosivos, pero por el momento están muy lejos de ser comparables con un perro rastreador bien entrenado.
En el monitoreo ambiental
Para la identificación de compuestos orgánicos volátiles en muestras de aire, agua y suelo. [42] [43]
Para la protección del medio ambiente. [44] [45]
Varias notas de aplicación describen el análisis en áreas como sabores y fragancias, alimentos y bebidas, empaques, productos farmacéuticos, cosméticos y perfumes, y compañías químicas. Más recientemente, también pueden abordar las preocupaciones públicas en términos de monitoreo de molestias olfativas con redes de dispositivos en el campo. [46] [47] 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. [48] Mejora la comprensión de las fuentes críticas, lo que lleva a una gestión proactiva de 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 [49] se pueden programar para tener alertas activas basadas en puntos establecidos (concentración de olor modelada en receptores/puntos de alerta o concentración de olor en una nariz/fuente) para iniciar acciones apropiadas.
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Enlaces externos
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Los investigadores de la NASA están desarrollando una nariz artificial extremadamente sensible para la exploración espacial
Noticias de la BBC sobre la detección de bacterias basada en la nariz electrónica
