NARICES ELECTRONICAS

SISTEMA OLFATIVO HUMANO

¿Qué es una nariz electrónica? Las narices electrónicas son dispositivos inspirados en el sistema olfativo de los mamíferos y diseñados para realizar las mismas funciones que estas. Su principal aplicación es la identificación de aromas, es decir, establecer si determinado olor se puede asociar con algún producto o con estados especiales de este, como la frescura o la descomposición. Las narices electrónicas intentan hacer lo mismo, pero, a diferencia de las biológicas, tienen la particularidad de que se valen de la matemática para describir lo que identifican.

Principio de acción de la nariz electrónica frente a la nariz orgánica

Principio de acción de la nariz electrónica frente a la nariz orgánica

Elementos que componen a una nariz electrónica En toda nariz electrónica se pueden distinguir tres módulos básicos: Módulo de muestreo, para la adecuación de la muestra gaseosa. Matriz de sensores, que hacen la detección de los gases. Un sistema informático, para la clasificación, identificación y almacenaje de la información que viene de los sensores.

Esquema general del prototipo

Fotografía del prototipo

Breve descripción del proceso El proceso de medida empieza con la introducción de muestras de frutas en la cámara de concentración, donde permanecen el tiempo necesario para producir suficientes volátiles. Transcurrido un intervalo prefijado de tiempo se recoge una muestra de la atmósfera contaminada de la cámara de concentración y se inyecta en la cámara de medida. En ese momento la matriz de sensores reacciona ante la presencia de nuevos volátiles cambiando sus características eléctricas, variaciones que son monitorizadas y grabadas por el computador a través de una placa de adquisición de datos y un programa creado para gestionar todo el proceso de medida, posteriormente se procesan los datos con algoritmos.

Módulo de muestreo El módulo de muestreo está formado por tres partes: Cámara de concentración: en ella se obtienen volátiles con concentraciones elevadas en forma sencilla. Cámara de medida: en ella se encuentra la matriz de sensores químicos y es donde se inyectan los volátiles que provienen de la cámara de concentración, esta debe estar bien sellada. Jeringa cromatográfica: con ella se realiza el transporte de la muestra gaseosa desde la cámara de concentración hasta la cámara de medida.

Esquema de la cámara de medida

Matriz de sensores En este módulo se incluyen tanto los sensores de gases como toda la circuitería electrónica asociada. A continuación se listan los sensores de gases más utilizados. MOS: metal oxide semiconductor. QCM: quartz crystal microbalance. SAW: surface acoustic waves. MOSFET: metal oxide semiconductor field effect transistor. CP: conducting polymers. FO: fiber optics.

Sensores de gases Los sensores de gases más utilizados son los de tipo semiconductor de óxido de estaño, presentan una alta sensibilidad en presencia de diversos volátiles orgánicos, pueden ser integrados en un equipo portátil y su costo es bajo. Estos sensores basan su funcionamiento en la variación de la resistencia eléctrica que presenta su capa activa ante diferentes compuestos volátiles.

Funcionamiento de los sensores MOS Cuando el sensor se calienta a una temperatura cercana a 400˚C, ante la ausencia de oxígeno, los electrones libres fluyen fácilmente entre las fronteras granuladas de dióxido de estaño. En aire puro, el oxígeno, que atrapa electrones debido a su afinidad electrónica, queda absorbido en la superficie del dióxido de estaño creando una barrera de potencial en las fronteras granulares. Esta barrera dificulta la libre circulación de electrones aumentando la resistencia eléctrica de la capa activa. Ante una atmósfera rica en gases reductores, la superficie de dióxido de estaño absorbe estas moléculas gaseosas provocando su oxidación. Este proceso disminuye la barrera de potencial facilitando la circulación de electrones libres, lo que reduce la resistencia del sensor.

Sensores Taguchi (serie 8)

Sensores Taguchi (serie 8)

Aplicación de los sensores (serie 8)

Sensores Fis (serie SP)

Sensores Fis (serie SP)

Aplicación de los sensores Fis (serie SP)

Circuitos de polarización y medida Los sensores de dióxido de estaño son sensores resistivos, además para trabajar correctamente requieren que la capa activa esté a temperaturas elevadas, por lo que necesitan una resistencia calefactora que eleve la temperatura hasta su valor de trabajo.

Circuito de medida

Sistema de adquisición y procesado Un primer programa se encarga de la adquisición de datos y su posterior almacenamiento en un fichero. Este programa realiza un muestreo periódico de la tensión presente en la resistencia de carga de los circuitos de medidas de cada uno de los sensores que componen la matriz. A partir de esta tensión el programa calcula la resistencia de la capa activa. Un segundo programa, posteriormente realizadas las medidas, extrae las características importantes y aplica algoritmos de reconocimiento de patrones. Estos algoritmos son el análisis de componentes principales, las redes neuronales, etc.

Procesado de la señal El procesado de señal multivariante, que se integra en las narices electrónicas, tiene su origen en la química analítica. A las técnicas tradicionales como el: Principal Component Analisys(PCA) o el Partial Least Squares(PLS), se han ido añadiendo nuevos algoritmos que se engloban dentro del campo denominado “Reconocimiento de patrones” o “Técnicas de inteligencia artificial”. Dentro de esta última se engloban a los diferentes algoritmos que implementan redes neuronales artificiales.

Evolución de la señal

Procesado de la señal El objetivo principal del procesamiento es el de extraer la información relevante para obtener la respuesta deseada, minimizando las interferencias que pueda introducir la matriz de sensores. En el caso de la fruta estas técnicas deben realizar dos funciones: Clasificar muestras en función de su grado de maduración. Para ello se pueden aplicar cualquiera de las técnicas que clasifican las medidas a partir de la información multidimensional. Estimar el valor de diferentes indicadores de calidad de forma no destructiva. En este caso es necesario aplicar técnicas de redes neuronales feed-forward que aprenden a relacionar señales en los sensores con condiciones físico-químicas en las piezas de frutas analizadas.

Procesado de la señal Merluza en Refrigeración Señales emitidas por los sensores en presencia de merluza que estuvo distinto tiempo en refrigeración. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 Número de sensor. Huellas digitales del pescado olido por una nariz electrónica. Pescado recién comprado Pescado con dos días en la heladera. 1 4 0.5 2 3 5 9 6 8 7

Aplicaciones en la industria alimenticia Entre las aplicaciones específicas dentro de la industria de la alimentación está la determinación de la calidad de las materias primas, evolución durante la producción, control de procesos de cocción, monitoreo de procesos de fermentación, inspección de pescado en almacén, chequeo de ranciedad, deterioro por envejecimiento, verificación de ingredientes para jugos, monitoreo de bebidas, graduación alcohólica de licores, inspección de olores en contenedores y empacado de alimentos y determinación del tiempo en que se produce la pérdida de calidades de aroma en productos conservados.

Aplicaciones en diagnóstico médico Las narices electrónicas pueden examinar distintos olores del cuerpo humano presentes en: respiración, heridas, y fluidos corporales, entre otros, e incluso identificar posibles problemas.

Aplicaciones en diagnóstico médico El análisis del aire exhalado puede ser usado para diagnosticar irregularidades gastrointestinales, sinusitis, infecciones respiratorias, fuentes bacterianas de mal olor bucal, diabetes e insuficiencias hepáticas. Las heridas infectadas o los tejidos emiten olores distintivos que pueden también detectarse. El olor de la orina puede indicar o detectar problemas en el hígado o en la vejiga, o bien detectar diabetes. También su uso es muy satisfactorio en detección de enfermedades de la piel o infecciones bacterianas, tales como las que acompañan las heridas o en quemaduras.

Aplicaciones ambientales En este campo de gran importancia se cuenta con la ventaja de la portabilidad de muchos sistemas y de su capacidad de identificar contaminantes. Se pueden utilizar para detectar mezclas de combustibles, perdidas de aceite, olores de efluentes industriales y urbanos, identificación de residuos tóxicos, monitoreo de la calidad del aire en ambientes urbanos abiertos o públicos cerrados y emisiones gaseosas de industrias. También encuentran aplicación en la detección de emisiones automotoras, en la verificación de solventes y en la determinación de los añadidos químicos para el mercado automotor.

Aplicaciones en procesos industriales En muchas industrias se las integra con los exámenes de visión que se utilizan para el chequeo de la integridad visual (color, dimensión de una variable, talla) de productos. El examen olfativo evalúa la integridad química (estado coherente, presencia de contaminantes) dando una mayor seguridad a la calidad del producto. Las señales digitalizadas del vapor de distintas muestras se pueden transmitir electrónicamente, permitiendo comparar los datos en “tiempo real” para asegurar que el mismo proceso se está ejecutando correctamente al mismo tiempo en dos o más localizaciones de planta.

Aplicación en seguridad y usos militares Últimamente se están comenzando a utilizar en la detección de sustancias prohibidas, así como drogas, explosivos y materiales peligrosos. En estas aplicaciones suelen llamarse olfateadores, especialmente cuando detectan trazas de explosivos o drogas ilícitas en aeropuertos o pasos fronterizos. Las trazas de estas sustancias se encuentran en forma de vapor o partículas de material en pequeñas cantidades.

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