Sensores de gas y narices electrónicas

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.
Esquema del sistema olfativo (en mamíferos). Del libro "Anatomy of the Human Body" del año
1918 de Henry Gray (mira http://www.bartleby.com/107/196.html).
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.
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.
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 NO2, 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, CO2 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.
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.
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.