Sensores de gas y narices electrónicas

Transcripción

1 Sensores de gas y narices electrónicas En las condiciones de vida de la sociedad actual es de vital importancia la detección de productos químicos, puesto que éstos pueden causar infinidad de efectos perjudiciales sobre la salud humana. Para detectar estos productos químicos existen sensores de gases. Actualmente, los sensores de gas están encontrando mas y mas aplicaciones. En particular, nuestro grupo de investigación, en la Universidad de Barcelona, está desarrollando sistemas de sensores para la identificación y la clasificación de gases. La aplicación de estos dispositivos es tan diversa como la detección precoz de cáncer de mama, detección de explosivos y control de calidad del agua. Nuestro grupo también está liderando un proyecto a nivel europeo, con el objetivo de construir un sistema de sensores con un análisis de datos que emule el sistema olfativo de los mamíferos. En este artículo pretendemos explicar el funcionamiento del sistema olfativo en mamíferos, el funcionamiento de una "nariz electrónica" y sus aplicaciones. Nariz humana Podemos decir que olemos por la nariz, pero eso sería demasiado simple. El sistema olfativo es de una gran complejidad. En los mamíferos, los aromas inhalados a través de la nariz entran en contacto con la mucosa en el epitelio olfativo, donde se encuentran los receptores olfativos. Esos receptores están conectados con neuronas que traducen en señal eléctrica la correspondiente respuesta de los primeros a las características de las moléculas. El sistema olfativo humano se comprende de unos cientos de miles de neuronas receptoras y cada una tiene unos 20 receptores del mismo tipo. Están codificados genéticamente unos 1000 tipos de receptores diferentes, pero sólo se expresan unos 400 tipos (el resto son pseudo-genes). Las neuronas receptoras del epitelio pasan señales eléctricas a una parte del cerebro, al bulbo olfativo, primero a unidades funcionales. En el bulbo olfativo se crea una representación básica de unas características del olor y se transmite hacia el córtex. La información que se basa en la estructura química de las moléculas converge en unas representaciones cerebrales de los aromas y de la concentración de la las sustancias correspondiente. Mediante estas representaciones somos capaces de distinguir diferentes olores a la vez y determinar el predominante; y asociar siempre la misma representación a un mismo olor aún encontrándose éste en niveles de concentración muy distintos. El cerebro hace un análisis de los datos que le mandan los receptores, y en función de la respuesta combinada de éstos, se cambia nuestra percepción (y nuestro comportamiento). Los sistemas olfativo y gustativo se llaman sistemas químico-sensoriales, porque convierten señales químicas en percepción.

2 Esquema del sistema olfativo (en mamíferos). Del libro "Anatomy of the Human Body" del año 1918 de Henry Gray (mira Nariz electrónica: El sistema olfativo humano, con toda su complejidad, a menudo no nos es suficiente. Es bien sabido que el hombre recurre a las narices más sensibles de los perros cuando se trata de rastrear, detectar sustancias peligrosas, explosivas o ilegales. O antiguamente en las minas de carbón se bajaba con un canario que indicaba que la atmósfera era respirable mientras éste cantara (el monóxido de carbono y el metano mataban al resignado pajarito antes que a los mineros). En ese caso no se pretendía aprovechar un sistema olfativo más sensible, sino utilizar al canario como alarma sonora y visual ante la imposibilidad de evaluar la calidad del aire por parte del hombre. Actualmente la tecnología ya se ha desarrollado una gran diversidad de sensores que indican las concentraciones de multitud de gases, ahorrando así la sufrida tarea a los canarios. De la idea de emular el sistema olfativo biológico con los sensores de gas nace el concepto de nariz electrónica, que se define como un instrumento que consta de una colección de sensores químicos electrónicos y de un sistema de reconocimiento de patrones adecuado para reconocer olores (compuestos) simples o complejos y trata de caracterizar distintas mezclas de gases. O sea, que la nariz electrónica va más allá del simple sensor e intenta, al igual que la nariz biológica, reconocer patrones de olores mediante complejos algoritmos numéricos. En la nariz electrónica, los encargados de crear una señal eléctrica para que posteriormente el procesado numérico y el correspondiente patrón reconozcan la aroma son los sensores. Hay distintas tecnologías de sensores, cada una con sus puntos fuertes de aplicación en función del gas a detectar y las concentraciones esperadas para la medida, las condiciones ambientales, el tiempo de vida requerido para el sensor, el coste, la precisión de la medida, etc. Especialmente utilizados son los sensores de óxido de metal, que basan su principio físico en el cambio del valor de una resistencia eléctrica por la presencia de un gas determinado. También son frecuentes los sensores ópticos, basados en la absorción óptica por parte del gas de radiación infrarroja. Y los sensores electrolíticos, que utilizan celdas electroquímicas para transformar energía química en energía eléctrica de un modo similar al funcionamiento de las pilas.

3 Desde la construcción de los primeros prototipos de narices electrónicas en los años 80, sus campos de desarrollo y sus aplicaciones en los campos de la alimentación, control de calidad, cura medioambiental, diagnosis médico, control de procesos industriales, desarrollo de fragancias y cosméticos, seguridad y toxicología, etc. no han parado de crecer. Vamos a mirar ejemplos de uso actual de narices electrónicas en tres campos: en la alimentación, en el diagnosis médico y para la protección del medio ambiente. Alimentación En particular las narices electrónicas son de gran aplicación en el control de calidad de los productos alimenticios. En buena parte de los casos, la calidad de los alimentos se evalúa mediante expertos humanos y con sus paneles de referencia (enólogos para el caso del vino, por ejemplo). Pero esos tests están condicionados por la inevitable variabilidad del ser humano. Las narices electrónicas están penetrando en el mundo de la enología por su confiabilidad y objetividad. Actualmente ya hay narices electrónicas que son capaces de clasificar vinos en función de sus aromas. Estudios similares se han realizado pero con jamones como objeto del estudio. También en el mundo de la alimentación se utilizan las narices electrónicas para controlar las aromas de frutas y pescados, con el fin de evitar el consumo de alimento vencido y para el control de cocción justa. Diagnosis médico Las narices electrónicas son capaces de analizar el aire exhalado (así como distintos olores del cuerpo humano) para diagnosticar diferentes patologías como la diabetes, insuficiencias hepáticas, infecciones respiratorias, etc. El olor de la orina puede indicar o detectar problemas en el hígado o en la vejiga, o bien detectar diabetes. Y también tienen aplicación en la detección de enfermedades de la piel o infecciones bacterianas, tales como las que acompañan las heridas más comunes o en quemaduras. Actualmente se está trabajando en la detección de cáncer a partir del análisis molecular del aire exhalado. Este nuevo método de diagnosis permite la detección del cáncer en fases iniciales y es no-invasivo; además de aportar nueva información con respeto a los métodos tradicionales del análisis de sangre y orina. Estudios recientes demuestran que la detección de cáncer de pulmón y esófago en fases muy iniciales son posibles con el análisis del aire exhalado.

4 Medio ambiente Ese es un campo de gran importancia, y la portabilidad de las narices electrónicas y su capacidad para identificar contaminantes, hacen que estos dispositivos tengan una gran aplicabilidad para el cuidado medioambiental. Se pueden utilizar para detectar mezclas de combustibles, pérdidas de aceite, olores de efluentes industriales y urbanos, identificación de residuos tóxicos, control de la calidad del aire en ambientes urbanos, emisiones gaseosas de industrias, etc. La nariz electrónica permite localizar la fuga de una especie gaseosa e identificar el compuesto o la mezcla potencialmente peligrosos. Con esa información los equipos de emergencia pueden seleccionar la estrategia de contención y de protección más eficaz para cada caso específico. Durante las sequías del verano, la tierra seca emite etileno que contribuye a la inflamabilidadde zonas de vegetación densa. En esas situaciones de riesgo de incendio, las narices electrónicas podrían ayudar a la prevención de incendios. En zonas industriales, la emisión de gases inflamables puede producir fuegos. En ausencia de oxigeno, se crean fuegos sin llamas que son difíciles de detectar. Sensores de gas, ej. de CO o de NO 2, pueden dar alarma y ayudar a prevenir dichos fuegos. Es conocido, que en domicilios la emisión de gases puede causar explosiones. Sensores de gas pueden avisar a la gente cuando hay peligro. A los vertederos se destinan restos orgánicos, plásticos, papel, vidrio, metales, pinturas, pañales, baterías, y muchas cosas más. Durante la descomposición se forman lixiviados que arrastran los productos tóxicos presentes que contaminan las aguas subterráneas y de la tierra y se liberan al aire importantes cantidades de gases como metano, CO 2 o gases tóxicos. Durante incendios, se pueden liberar a la atmósfera gases tan tóxicos como las dioxinas. Las narices electrónicas se pueden y en unos lugares se están utilizando para la detección preventiva de gases inflamables para prevenir incendios. También se están utilizando robots para la identificación de tierra contaminada para poder cambiarla efectivamente. En unos coches de gama alta para el airemiento automático se usan dos sensores de gases con los cuales se puede determinar la calidad del aire fuera del coche. Así, en túneles largos, ej., no se deja entrar el aire, pero en bosques se deja entrar.

5 Una nariz electrónica, desarrollada por Alex Perera durante su doctorado supervisado por Santiago Marco y Ricardo Gutierrez en colaboración con un grupo de la universidad de Ohio. Aplicaciones potenciales en el futuro El objetivo de las narices electrónicas es mejorar las condiciones de vida, y con ese afán se han desarrollado aplicaciones para los campos de la alimentación, diagnosis médica y el medio ambiente. Pero las narices electrónicas todavía tienen camino por recorrer en esos campos. Hoy en día, en el mundo agro-alimentario, es de vital importancia conocer el origen y los procesos seguidos para la obtención de los alimentos, puesto que esos factores determinan su calidad. Se puede idear un sistema olfativo que determine la calidad y el origen de los alimentos en función de sus aromas, llegando a averiguar, por ejemplo, si un alimento está o no libre de transgénicos. Los efectos a la exposición a sustancias tóxicas no sólo dependen de la concentración de dicha sustancia, sino que también son función del tiempo de exposición. Así pues, las narices electrónicas son capaces de monitorizar el perfil de concentraciones a las que se ha estado expuesto y evaluar los riesgos. Este dispositivo se podría adecuar a personas especialmente sensibles, como las que sufren sensibilidad química múltiple, para que tengan alarmas a distintos productos en un solo dispositivo. Para el medio ambiente la nariz electrónica es de gran utilidad para controlar el cumplimiento de las normativas, para evaluar la calidad del aire y detectar la presencia de contaminantes de todo tipo. Por ejemplo sensores de gas se podrían utilizar en la diálisis y en la diagnosis de enfermedades. Ej. sensores puestos en la piel de pacientes con diabetes podría protegerlas de complicaciones.

6 En cooperación con la Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa (DARPA por sus siglas en inglés) en los EU se estaban haciendo proyectos de investigación con biosensores basados en tejido cerebral de mamíferos, las cuyas neuronas daban reacciones especifica en respuesta a diferentes substancias. Estos tipos de sensores están todavía en investigación, pero prometen ventajas sobre análisis con otros sistemas artificiales. Las ventajas incluyen una señal mas clara, robustez contra fallo y respuestas rápidas. Nuestro laboratorio esta liderando una iniciativa europea para incluir ventajas de sistemas biológicos en el procesamiento de señales, basándose en modelos del olfato biológico y utilizando sensores químicoeléctricos.