Se sintonizó una nariz electrónica con el eje de percepción del agrado del olor, es decir, un eje que va desde muy agradable (p. ej., rosa) hasta muy desagradable (p. ej., zorrillo). Esto permitió a la eNose oler olores novedosos que nunca antes había encontrado, y aún así generar estimaciones de agrado del olor en alto acuerdo con las evaluaciones humanas, independientemente del origen cultural del sujeto. Esto sugiere un componente innato del agrado del olor que está estrechamente vinculado a la estructura molecular [1].
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 conjuntos de sensores y sistemas de reconocimiento de patrones .
Desde 1982, [2] se han realizado investigaciones para desarrollar tecnologías, comúnmente conocidas como narices electrónicas, que puedan 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 los olores suele realizarse mediante análisis sensorial humano, quimiosensores o cromatografía de gases . Esta 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 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 condicionadas 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 midiste 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 muchísimos tipos diferentes de olores, desde el olor a violetas y rosas hasta el de asafetida. Pero hasta que no puedas medir sus semejanzas y diferencias, no podrás tener 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 tal ciencia del olor, y no fue hasta la década de 1950 y más allá que se logró algún 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 fue desarrollada para 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 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 olores. [8]
Las narices electrónicas incluyen tres partes principales: un sistema de entrega de muestras, un sistema de detección y un sistema informático. [9]
El sistema de entrega de muestras permite generar el 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 unas condiciones de funcionamiento constantes. [8]
El sistema de detección, que consta de un conjunto de sensores, es la parte "reactiva" del instrumento. Cuando los sensores entran en contacto con compuestos volátiles reaccionan, lo que significa que experimentan un cambio en las propiedades eléctricas. [8]
En la mayoría de las narices electrónicas, cada sensor es sensible a todas las moléculas volátiles, pero cada una de 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 compuestos volátiles al contacto: la adsorción de compuestos volátiles en la superficie del sensor provoca un cambio físico del sensor. [10] La interfaz electrónica registra una respuesta específica transformando la señal en un valor digital. Luego, los datos registrados se calculan basándose en modelos estadísticos. [11]
Las narices bioelectrónicas utilizan receptores olfativos : proteínas clonadas de organismos biológicos, por ejemplo 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 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 una capa 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 de polímeros: 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 humo.
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 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. [dieciséis]
Algunos dispositivos combinan varios tipos de sensores en un solo dispositivo, por ejemplo, los QCM recubiertos de polímero. La información independiente conduce a dispositivos mucho más sensibles y eficientes. [17]
Los estudios del flujo de aire alrededor de las narices caninas 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 un mejor alcance y velocidad de respuesta [18]
En los últimos años se han desarrollado otro tipo de narices electrónicas que utilizan la espectrometría de masas o la cromatografía de gases ultrarrápida como sistema de detección. [11]
El sistema informático funciona 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 pueden interpretarse fácilmente. Además, los resultados de la nariz electrónica se pueden correlacionar 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 (RNA), [19] lógica difusa , métodos quimiométricos, [20] módulos de reconocimiento de patrones, etc. [21] La inteligencia artificial, incluida la red neuronal artificial (RNA), es una técnica clave para el olor ambiental. gestión. [22]
Realizando 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. Así pueden realizar análisis cualitativos o cuantitativos. Sin embargo, esto también puede suponer un problema, ya que muchos olores se componen de múltiples moléculas diferentes, que el dispositivo puede interpretar erróneamente, ya que los registrará como compuestos diferentes, lo que dará lugar a resultados incorrectos o inexactos dependiendo de la función principal de la nariz. [23] El ejemplo del conjunto de datos e-nose 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 multiclase de la carne vacuna y la predicción de la población microbiana mediante regresión.
Aplicaciones
La nariz electrónica desarrollada en el Departamento de Química Analítica (Facultad de Química de la Universidad Tecnológica de Gdańsk ) permite una clasificación rápida de muestras alimentarias o ambientales
Los instrumentos de nariz 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 [25] [26]
Selección de origen o proveedor
Monitoreo de las condiciones de almacenamiento [27]
Seguimiento de la calidad de la carne. [28] [29]
En los departamentos de proceso y producción.
Gestionar la variabilidad de las materias primas
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 in situ
Monitoreo de ampliación
Monitoreo de limpieza en sitio.
En fases de desarrollo de producto
Perfil sensorial 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 ha sido 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 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 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 envases de alimentos para indicar claramente cuándo los alimentos han 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 padecieran anosmia o olfato débil.
La Brain Mapping Foundation utilizó la nariz electrónica para detectar células cancerosas en el cerebro. [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 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 segundos.
Existen sistemas de demostración que detectan los vapores emitidos por los explosivos, pero actualmente están bastante por detrás de un perro rastreador bien entrenado.
En vigilancia 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 análisis en áreas como sabores y fragancias, alimentos y bebidas, envases, productos farmacéuticos, cosméticos 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. [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 conduce 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 [49] 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.
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enlaces externos
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Investigadores de la NASA están desarrollando una nariz artificial exquisitamente sensible para la exploración espacial
BBC News sobre detección de bacterias basada en nariz electrónica
