Nariz electrónica

Una nariz electrónica (o eNose ) es un dispositivo electrónico de detección diseñado para detectar olores o sabores . La expresión "detección electrónica" se refiere a la capacidad de reproducir los sentidos humanos mediante 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 a la olfacción humana y se llevan a cabo para la identificación, comparación, cuantificación y otras aplicaciones, incluyendo el almacenamiento y la recuperación de datos . Algunos de estos dispositivos se utilizan con fines industriales.

En todas las industrias, la evaluación de olores se realiza habitualmente 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 las posibles interacciones entre varios componentes odoríferos.

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 formar enjambres en respuesta a la presencia de una sustancia química específica. ^{[ 3 ]}

El científico Alexander Graham Bell popularizó la idea de que era difícil medir un olor, ^{[ 4 ]} y en 1914 dijo lo siguiente:

¿Alguna vez has medido un olor? ¿Puedes distinguir si un olor es simplemente el doble de intenso que otro? ¿Puedes medir la diferencia entre dos tipos de olor? Es evidente que existen muchísimos tipos de olores, desde el de las violetas y las rosas hasta el de la asafétida. Pero hasta que no podamos medir sus similitudes y diferencias, no podremos desarrollar una ciencia del olfato. Si aspiras a descubrir una nueva ciencia, mide un olor.

En las décadas transcurridas desde que Bell hizo esta observación, no se materializó ninguna ciencia del olor, y no fue hasta la década de 1950 y posteriores que se logró algún progreso real. ^{[ 4 ]} Un problema común en la detección de olores es que no implica la medición de energía, sino de partículas físicas. ^{[ 6 ]}

La nariz electrónica se desarrolló 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 ]} Básicamente, el instrumento consta de un sistema de muestreo del espacio de cabeza, una matriz de sensores químicos y módulos de reconocimiento de patrones, para generar patrones de señal 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, lo que significa que 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 forma específica. Sin embargo, en las narices bioelectrónicas se utilizan proteínas receptoras que responden a moléculas de olor específicas. La mayoría de las narices electrónicas emplean matrices de sensores químicos que reaccionan a los compuestos volátiles al contacto: la adsorción de estos compuestos en la superficie del sensor provoca un cambio físico en el mismo. La interfaz electrónica registra una respuesta específica, transformando la señal en un valor digital. Los datos registrados se procesan posteriormente mediante modelos estadísticos. ^{[ 10 ]}

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. ^{[ 11 ]}

Los sensores más utilizados para narices electrónicas incluyen:

• Dispositivos metal-óxido-semiconductor (MOS): los sensores metal-óxido-semiconductor contienen un recubrimiento 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. ^{[ 12 ]}
• polímeros conductores – polímeros orgánicos que conducen electricidad. ^{[ 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 el negro de humo.
• Microbalanza de cristal de cuarzo (QCM): un método para medir la masa por unidad de área midiendo el cambio de frecuencia de un resonador de cristal de cuarzo. Esta información se puede almacenar en una base de datos y utilizarse como referencia futura.
• Onda acústica superficial (SAW): una clase de sistemas microelectromecánicos (MEMS) que se basan en la modulación de ondas acústicas superficiales para detectar un fenómeno físico. ^{[ 14 ]}
• Los espectrómetros de masas pueden miniaturizarse para formar dispositivos de análisis de gases de uso general. ^{[ 15 ]}

Algunos dispositivos combinan varios tipos de sensores en un solo dispositivo, por ejemplo, los QCM recubiertos de polímero. La información independiente da como resultado dispositivos mucho más sensibles y eficientes. ^{[ 16 ]} Estudios del flujo de aire alrededor de las narices de los perros y pruebas en modelos de tamaño real han indicado que una "acción de olfateo" cíclica similar a la de un perro real es beneficiosa en términos de mayor alcance y velocidad de respuesta. ^{[ 17 ]}

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. ^{[ 10 ]}

El sistema informático trabaja para combinar las respuestas de todos los sensores, lo que representa la entrada para el procesamiento 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 pueden correlacionarse con los obtenidos mediante 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), ^{[ 18 ]} lógica difusa , métodos quimiométricos, ^{[ 19 ]} módulos de reconocimiento de patrones, etc. ^{[ 20 ]} La inteligencia artificial, incluidas las redes neuronales artificiales, es una técnica clave para la gestión de olores ambientales. ^{[ 21 ]}

Como primer paso, una nariz electrónica necesita ser entrenada 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 esta manera, pueden realizar análisis cualitativos o cuantitativos. Sin embargo, esto también puede causar un problema, ya que muchos olores están compuestos por múltiples moléculas diferentes, que pueden ser interpretadas erróneamente por el dispositivo al registrarlas como compuestos diferentes, lo que resulta en resultados incorrectos o inexactos dependiendo de la función principal de una nariz. ^{[ 22 ]} También está disponible un ejemplo de conjunto de datos de nariz electrónica. ^{[ 23 ]} Este conjunto de datos puede usarse como referencia para el procesamiento de señales de nariz electrónica, especialmente para estudios de calidad de la carne. Los dos objetivos principales de este conjunto de datos son la clasificación de carne de res multiclase y la predicción de la población microbiana por regresión. Para enfermedades como el cáncer de pulmón se han utilizado múltiples tipos de análisis. ^{[ 24 ]}

Los instrumentos de nariz electrónica son utilizados por laboratorios de investigación y desarrollo, laboratorios de control de calidad y departamentos de procesos y producción para diversos fines:

• transistor de efecto de campo químico
• Quimiorresistor
• Piel electrónica
• Lengua electrónica
• Detección mejorada por fluctuaciones
• Olfato de máquina
• localización de la fuente del olor
• Olfatómetro

• Dutta, Ritaban; Dutta, Ritabrata (diciembre de 2006). "Clasificador bayesiano inteligente (IBC) para la clasificación de infecciones otorrinolaringológicas en el entorno hospitalario" . BioMedical Engineering OnLine . 5 (1): 65. doi : 10.1186/1475-925X-5-65 . PMC 1764885. PMID 17176476 .  
• Investigadores de la NASA están desarrollando una nariz artificial de gran sensibilidad para la exploración espacial.
• BBC News sobre la detección de bacterias mediante nariz electrónica