Narices Electronicas

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE CARTAGENA

Sistemas Electrónicos Neurosensoriales José M. Fernández Vicente

Narices Electrónicas

Presentado Por: Carlos Zorrilla Enrique Rivas

12 de Mayo de 2012 Cartagena, España

Narices Electrónicas TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................................ 2 1

2

Generalidades.................................. ................. ................................... ................................... ................................... .................................... ................................... ............................... .............. 3 1.1

Nariz biológica ................................. ................ ................................... ................................... ................................... .................................... ................................... ...................... ..... 3

1.2

Nariz electrónica ................................. ................ ................................... ................................... ................................... .................................... ................................... ..................... 5

1.3

Nariz humana vs. Nariz Electrónica ................................... .................. ................................... .................................... ................................... ...................... ..... 6

1.4

Historia.................................. ................ ................................... .................................. ................................... .................................... .................................... .................................. ................ 7

1.5

Importancia ................................... .................. ................................... ................................... ................................... .................................... ................................... ......................... ........ 8

Sensores .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ................................... ................................... ................................... ...................... ..... 8 2.1

3

4

Sensores de Conductividad .................................. ................. ................................... .................................... .................................... ................................... ..................... 9

2.1.1

Sensores de Oxido de Metal.................................. ................. ................................... .................................... ................................... ............................ ........... 9

2.1.2

Sensores Polímeros ................................. ............... .................................... ................................... ................................... ................................... ....................... ...... 10

2.2

Sensores piezoeléctricos ................................. ............... .................................... ................................... ................................... ................................... ....................... ...... 11

2.3

Sensores MOSFET................................. ................ ................................... ................................... ................................... .................................... ................................ .............. 13

2.4

Sensores Ópticos ................................. ................ ................................... ................................... ................................... .................................... ................................... ................. 14

Técnicas de procesamiento de la señal Narices Electrónicas.................................... .................. ................................... .......................... ......... 15 3.1

Técnicas de análisis de patrones estáticos................................. ................ ................................... .................................... ................................ .............. 17

3.2

Modelos Dinámicos y sistemas de identificación .................................... .................. .................................... ................................... ................. 18

Aplicaciones Narices Electrónicas .................................. ................. ................................... .................................... .................................... ................................ .............. 19 4.1

Industria Alimenticia........................... Alimenticia............................................. .................................... ................................... ................................... ................................... ................. 19

4.2

Aplicaciones en Diagnóstico Médico..................................... Médico.................... ................................... .................................... ................................... ................. 20

4.3

Aplicaciones ambientales................................... ................. .................................... ................................... ................................... ................................... .................... ... 20

4.4

Procesos Industriales................................. ............... .................................... ................................... ................................... ................................... ............................. ............ 21

4.5

Aplicaciones Multimedia ................................... ................. .................................... ................................... ................................... ................................... .................... ... 21

CONCLUSION ........................................................................................................................................... 22 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................ 23

INTRODUCCIÓN Mientras más avanzan las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, mas aplicaciones de esta ciencia se desarrollan replicar los sentidos humanos en el mundo digital. De esta forma tenemos visión computarizada gracias a las cámaras digitales y diversas técnicas de procesamiento digital de imágenes; un sentido del oído replicado a través de micrófonos y sofisticados software de reconocimiento de patrones de sonidos; y aunque en un nivel menos avanzado y con menos ámbito de aplicación, tenemos el desarrollo de la nariz electrónica. Aunque los científicos como Graham Bell desde principios del siglo XX habían expuesto la necesidad de un dispositivo que midiera científicamente los olores, no fue sino hasta la década de 1980 cuando nació y tomo forma el concepto de nariz electrónica que conocemos hoy en día. Y en 1991 gracias a una conferencia sobre narices electrónicas financiada por la OTAN, el tema recibió un fuerte empuje y el termino “nariz electrónica” se entendió genéricamente como “una

matriz de sensores químicos de gas incorporados a un dispositivo artificial de olfato. Técnicamente, la nariz electrónica consiste en una matriz de sensores capaces de generar señales eléctricas en respuesta a cualquiera de los compuestos volátiles simples o complejos, y dar a través de una adecuada técnica de múltiples análisis de componentes, la posibilidad de discriminación, el reconocimiento y la clasificación de los olores. En el presente trabajo abarcamos los diferentes pormenores de las narices electrónicas, desde su similitud con el olfato biológico de los mamíferos, los sensores utilizados, las técnicas de procesamiento de señal, hasta las diversas aplicaciones que se le da a este dispositivo.

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Narices Electrónicas 1 Generalidades 1.1 Nariz biológica Todos los organismos vivos desde simples bacterias hasta los mamíferos complejos, incluyendo seres humanos, responden a los productos químicos en su ambiente. Las señales químicas juegan un papel importante en la alimentación, el reconocimiento territorial, el comportamiento sexual, y la detección del potencial condiciones perjudiciales, tales como incendios, gas y comida rancia. En los organismos superiores, sistemas especiales de sensación química (olor y sabor) se han desarrollado, estos se distinguen anatómicamente por la ubicación de los receptores en las cavidades nasales y orales, respectivamente. (T. C. Pearce, 2003)

En los vertebrados, los olores son detectados por las neuronas sensoriales olfativas en el epitelio olfatorio. La proporción de epitelio olfatorio en comparación con el epitelio respiratorio da una indicación de la sensibilidad olfativa del animal. Los seres humanos tienen cerca de 10 centímetros cuadrados de epitelio olfatorio, mientras que algunos perros tienen 170 centímetros cuadrados, además que en los perros las neuronas olfativas se encuentran mucho más densas en el epitelio olfatorio que en los humanos. La nariz humana distingue entre más de 10,000 aromas diferentes. El olfato es el sentido más fuerte al nacer y se desgasta al pasar de los años.

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Las sustancias odorantes son compuestos químicos volátiles transportados por el aire. Los objetos olorosos liberan a la atmósfera pequeñas moléculas que percibimos al inspirar. Las moléculas odorantes pasan a través de la concha nasal superior de los conductos nasales disueltas en moco y alcanzan la mucosa olfativa, que consta de tres tipos característicos de células: las células olfativas sensoriales, las células de sostén y las células basales, que se dividen aproximadamente una vez al mes y reemplazan a las células olfativas moribundas. Los 20 o 30 millones de células olfativas humanas contienen, en su extremo anterior, una pequeña cabeza con cerca de 20 pequeños filamentos sensoriales (cilios). El moco nasal acuoso transporta las moléculas aromáticas a los cilios con ayuda de proteínas fijadoras, El moco que recubre el epitelio contiene mucopolisacáridos, sales, enzimas y anticuerpos (estos son de gran importancia, ya que las neuronas olfativas proporcionar un paso directo que infecciones pasen al cerebro); los cilios transforman las señales químicas de los distintos aromas en respuestas eléctricas. Las prolongaciones nerviosas de las células olfativas alcanzan el bulbo olfatorio a través de micro-orificios del cráneo; el bulbo es una porción anterior del cerebro, que se ocupa de la percepción de los olores. Estas prolongaciones nerviosas terminan en los glomérulos, pequeñas terminaciones de células olfativas de forma esférica donde se procesan las señales aromáticas que luego son conducidas por células receptoras especiales. La información llega primero al sistema límbico y al hipotálamo, regiones responsables de las emociones, sentimientos, instintos e impulsos, tales regiones almacenan también los contenidos de la memoria y regulan la liberación de hormonas. Por este motivo, los olores pueden modificar directamente nuestro comportamiento y las funciones corporales. Sólo más tarde parte de la información olorosa alcanza la corteza cerebral y se torna consciente. (Wikipedia, 2012)

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La reactividad química poco tiene que ver con el potencial del olor debido a que las moléculas odorantes no están cargadas. Los odorantes varían ampliamente en estructura e incluyen muchas clases químicas como son: ácidos orgánicos, alcoholes, aldehídos, amidas, aminas, compuestos aromáticos, ésteres, éteres, gases fijos, hidrocarburos halogenados, hidrocarburos, cetonas, nitrilos, otros compuestos que contienen nitrógeno, fenoles y compuestos a base de azufre. (T. C. Pearce, 2003)

1.2 Nariz electrónica Una “nariz electrónica” (NE) es un instrumento que puede oler, es decir, es capaz de realizar

análisis cualitativos y/o cuantitativos de una mezcla de gases, vapores y olores. La salida de la nariz electrónica puede ser la identidad del olor, una estimación de la concentración del odorante, o las propiedades características del olor como podría ser percibido por un ser humano. Técnicamente la nariz electrónica puede ser descrita como una matriz de sensores no específicos capaces de generar señales eléctricas en respuesta a cualquiera de los compuestos volátiles simples o complejos, y dar a través de una adecuada técnica de múltiples análisis de componentes, la posibilidad de discriminación, el reconocimiento y la clasificación de los olores. Un dispositivo de este tipo tiene al menos 4 partes con diferentes funciones: la primera realiza la adecuación de la mezcla gaseosa y el muestreo, el conjunto de sensores de gas hace la detección, la electrónica de control se dedica a la gestión del conjunto de sensores y adecuación de la señal, y finalmente, la computadora, con adecuados algoritmos de clasificación de patrones, extrae los rasgos característicos o "huellas" de cada aroma y presenta los resultados en la interfaz con el usuario. En la práctica, el proceso de identificación de olores comprende tres estados durante el muestreo del olor: el primero es de limpieza de la cámara de medición y sensores mediante enjuagues realizados con “aire limpio” para barrer las moléculas de mediciones anteriores, el segundo es la toma de la muestra, en la que se reciben en la cámara cantidades controladas de “aire con olor”

exponiendo a los sensores al mismo, y finalmente, un segundo enjuague de la cámara y sensores con “aire limpio” previo a la próxima toma de muestras. Es necesaria la estabilización térmica de la muestra y de la cámara en todas estas etapas. Del mismo modo, debido a que la humedad afecta tanto la medición como la muestra misma, sólo se deben comparar resultados tomados en condiciones de humedad y temperatura normalizadas.

En las narices electrónicas, métodos de reconocimiento de patrones son requeridos para el análisis cualitativo de olores o de los diferentes componentes presentes en una cierta mezcla, y Mayo/2012


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métodos de análisis multicomponentes son requeridos para la determinación cuantitativa de uno o más componentes de la mezcla. Comercialmente las técnicas disponibles para análisis de olores recaen en las tres categorías principales siguientes:  

Análisis grafico: diagrama de barras, perfiles, diagrama polar, etc. Análisis de datos multivariantes.

Análisis de redes: datos experimentales de la red neuronal artificial son evaluados por un vínculo cualitativo o cuantitativo entre las señales de salida de la nariz artificial y la información química correspondiente. La red neuronal artificial es una técnica comúnmente usada en el reconocimiento de patrones que intenta imitar el proceso biológico del cerebro humano.

1.3 Nariz humana vs. Nariz Electrónica La nariz electrónica es similar a la nariz humana en todas y cada una de sus partes. La función de la inhalación se realiza por la bomba que conduce el gas a los sensores. El gas inhalado por la bomba es filtrado, lo cual en la nariz humana es realizado por la membrana mucosa. A continuación se pasa el gas filtrado por los sensores, lo que equivale al epitelio olfatorio en la nariz humana. A continuación en la nariz electrónica tiene lugar la retención química, equivalente a la reacción eléctrica en los cilios, esta información es transferida como impulso nervioso a través de la red neuronal, lo cual es análogo a los circuitos electrónicos con que costa la nariz electrónica.

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1.4 Historia Mucho antes de que los sistemas electrónicos fueran una realidad los científicos estuvieron buscando métodos para medir y cuantificar olores. El primero medidor de olores fue creado en 1888 por el psicólogo alemán Hendrik Zwaardemaker, el aparato consistía en un tubo de ensayo largo revestido en su interior con un líquido aceitoso y oloroso. Un tubo pequeño abierto se insertaba en el primero, y el largo del tubo pequeño determinaba la intensidad del olor percibido por una persona. Zwaardemaker hizo experimentos usando dos tubos abiertos para ver que olores, cuando se mezclaban, se neutralizaban mutuamente a la percepción humana. Más tarde el primer uso práctico de estos medidores de olor fue el crear sustancia para neutralizar olores específicos. También se utilizaron para probar el umbral en el cual un olor diluido (como desechos de ganado o escape de combustibles) podía ser detectado. Versiones avanzadas de este tipo de dispositivos se utilizan aun hoy en día para presentar olores estandarizados a probadores humanos (David R. Walt, 2012).

Sin embargo estos mecanismos aun requerían del factor humano y su juicio subjetivo acerca de la intensidad y cualidad de un olor. Las ventajas de una medición científica de los olores fueron evidentes para el ilustre Alexander Graham Bell, quien cito en un discurso de 1912: “alguna vez trataste de medir el olor? Puedes decir si un olor es dos veces más intenso que otro? Puedes medir la diferencia entre una clase de olor y otro? Es obvio que tenemos muchos tipos de olores diferentes, pero hasta que no puedas medir las semejanzas y diferencias entre estos no puedes tener una ciencia del olor. Si eres tan ambicioso como para

encontrar una nueva ciencia, mide un olor”.

El primer acercamiento comercial de una nariz electrónica fue conocido con el nombre de “sniffer”, construido por Baccharach Inc. en la década del 60. Tenía un solo sensor de gas y si bien se utilizaba para oler no llegó a ser una nariz electrónica como la conocemos hoy en día (Altawell, 2008). El primer intento registrado de usar una matriz de sensores para emular el sistema del olfato de los mamíferos fue llevado a cabo por Persaud y Dodd en 1982 en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Manchester (Altawell, 2008). El dispositivo en cuestión constaba de una matriz de 3 sensores de óxidos metálicos semiconductores (MOX) usados para distinguir entre veinte sustancias olorosas. Pero no fue sino hasta 1988 cuando se uso por primera vez de forma oficial el nombre de “Nariz Electrónica” , y más adelante paso a ser un término genérico para “una matriz de sensores

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químicos de gas incorporados a un dispositivo artificial de olfato” cuando se utilizo como el

titulo de una conferencia sobre este tema financiada por la OTAN que se llevo a cabo en 1991 celebrado en Reikjavik, Islandia, a partir de este congreso el tema de narices electrónica recibiría un renovado interés (Martinez & Garcia). Desde ese entonces se han alcanzado notables avances en el diseño de sensores, así como en la cantidad de sensores utilizados y en novedosas técnicas para el manejo de la información extraída de los sensores. Pero a pesar de los muchos avances alcanzados en el tema, el desarrollo de dispositivos artificiales que imiten la lectura e interpretación de estas señales olorosas aún no ha alcanzado el nivel de eficiencia que se observa en la naturaleza.

1.5 Importancia Los probadores humanos de olores deben ser entrenados, lo que implica costo y tiempo. Por otro lado, el uso del olfato humano está expuesto a la subjetividad, por lo que para la confirmación de los valores obtenidos, el resultado obtenido debe ser comparado con el de otro individuo, y aun así puede haber una varianza relevante en el resultado. Otro inconveniente del uso del olfato humano es la exposición a gases dañinos para el organismo, además de la fatiga que implica la exposición constante a estas pruebas. Todos los aspectos citados anteriormente son superados con el uso de la nariz electrónica, así que dicho en forma breve, las narices electrónicas son importantes porque resulta un mecanismo rápido y confiables para monitorizar de forma continua y en tiempo real olores específicos.

2 Sensores Los sensores en una nariz electrónica realizan una función similar a las neuronas sensoriales olfativas en el epitelio olfatorio en los mamíferos, por tanto la matriz de sensores pueden ser considerados como el corazón y componente más importante de una nariz electrónica Según explica Troy Nagle (1998), los sensores ideales para ser integrados en una nariz electrónica debe cumplirlos siguientes criterios: 

 

   

Alta sensibilidad hacia compuestos químicos, es decir, similares a las de la nariz humana (hasta 10 12 g / ml); Baja sensibilidad hacia la humedad y la temperatura; Selectividad media, que debe responder a diferentes compuestos presentes en el espacio superior de la muestra; Alta estabilidad, alta reproducibilidad y confiabilidad; reacción y recuperación a corto plazo; robustez y durabilidad; fácil de calibrar;

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 

salida de datos fácilmente procesables; pequeñas dimensiones.

Dado que los sensores están diseñados comúnmente para uso industrial, especialmente en sistemas en línea, una temperatura mínima de trabajo con bajo consumo de energía, un alto nivel de seguridad, y bajos costos de fabricación presenten grandes ventajas valiosas. La mayoría de los fabricantes de narices electrónicas buscan sensores altamente selectivos, cada compuesto presente en la fase gaseosa a examinar debe ser detectado por al menos un sensor. Si un nuevo compuesto se añade a una mezcla, al menos un sensor debe ser capaz de detectarlo (Nagle, Schiffman, & Gutierrez-Osuna, 1998).

Los sensores utilizados en narices electrónicas recaen en 4 categorías principales: sensores de conductividad, sensores piezoeléctricos, MOSFETs, y sensores ópticos (T. C. Pearce, 2003).

2.1 Sensores de Conductividad Existen dos tipos de sensores de conductividad: de polímeros y de oxido de metal, ambos exhiben un cambio en la resistencia cuando se exponen a componentes orgánicos volátiles.

2.1.1 Sensores de Oxido de Metal Este es el tipo de sensor de gas más utilizado, fue usado comercialmente por primera vez en los años 60 en Japón en alarmas de escapes de gas. Básicamente, un sensor de oxido de metal consiste en un tubo de soporte de cerámica que contiene un calentador en espiral, usualmente de platino. El material de revestimiento más utilizado es el dióxido de estaño. Este tipo de sensor funciona cuando al ser expuesto a una atmosfera que contiene gases (reductores/ combustibles,

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CO, etc.), el oxido de estaño en la superficie absorbe moléculas de gas, produciéndose una reacción de oxidación entre el gas y el oxigeno absorbido, lo que disminuye la barrera de potencial y en consecuencia la resistencia eléctrica. Estos sensores necesitan operar a altas temperaturas que oscilan entre 300 y 500 grados Celsius, a temperaturas más bajas la tasa de reacción en la superficie del oxido es muy lenta, y a temperaturas menores de 100 grados celcius la baja presión del vapor de las moléculas de agua inhiben la reacción química necesaria, pero las consecuencias de estas altas temperatura de funcionamiento son un alto consumo de energía (Rojo Bosch, 2001).

La respuesta de los sensores de óxido de metal esta propensa a desviarse luego de periodos de horas o de días, por lo que los algoritmos de procesamiento de señales se deben emplear para contrarrestar esta propiedad. Los sensores también son susceptibles al envenenamiento (unión irreversible) por compuestos de azufre presentes en la mezcla de olor. Sin embargo, su amplia disponibilidad y costo relativamente bajo hace que sean los sensores de gases más utilizados hoy en día.

2.1.2 Sensores Polímeros Sensores poliméricos, un segundo tipo de sensor de conductividad, son también de uso general en los sistemas de nariz electrónica. Estos sensores operan sobre la base del cambio de la resistencia eléctrica causada por la absorción de gases en la superficie del sensor. Los sensores polímeros de conductividad han atraído mucho interés para su uso en narices electrónicas desde la década de 1980, sobre todo porque tienen una alta sensibilidad, cortos tiempos de respuesta, son fácilmente sintetizados, tienen buenas propiedades mecánicas y son particularmente útiles debido a que operan a temperatura ambiente (Nagle, Schiffman, & Gutierrez-Osuna, 1998). Estos sensores consisten en un sustrato, normalmente silicio, un par de electrodos revestidos de oro y un revestimiento de polímero orgánico como elemento sensor. La sensibilidad de los polímeros conductores a los componentes volátiles orgánicos se mide como cambios en la resistencia eléctrica. Los polímeros conductores son generalmente sintetizados por oxidación química o electroquímica de los monómeros correspondientes. Los monómeros de recubrimiento de sensores más utilizados son polipirrol, polianilina y politiofeno, pero poliacetileno, vinileno polifenilo, poli 3,4-thylenedioxythiophene, poliNvinylcarbazone, thienylenevinylene poli y muchos otros han sido investigados (Wilson & Baietto, 2009).

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2.2 Sensores piezoeléctricos Los dispositivos piezoeléctricos utilizados como nariz electrónica trabajan sobre la base de la medición de un cambio en la masa. Los cristales piezoeléctricos vibran bajo la influencia de un voltaje aplicado, y la frecuencia de resonancia correspondiente es dependiente de la masa cambiante. Cristales de cuarzo micro balanceados (QCM por sus siglas en ingles) y dispositivos de onda acústica de superficie (SAW por sus siglas en ingles) son los piezoeléctricos utilizados como narices electrónicas.

En QCM un recubrimiento de polímero se aplica sobre la superficie durante la fabricación. El sensor de olor QCM consta de un trozo de cristal único de cuarzo, típicamente de alrededor 1cm de diámetro, con electrodos de oro de película delgada que se evaporaron en ambas superficies de cristal en rodajas. Películas poliméricas tales como propileno-butilo, policarbonato y la resina acrílica se eligen como el material de la membrana de detección. La adsorción de gas sobre la superficie del polímero conduce a cambios en la masa en la superficie que a su vez produce un cambio en la frecuencia de resonancia del cristal. Este cambio en la frecuencia es proporcional a la concentración del material de ensayo. QCM se han utilizado en operaciones militares para la detección de explosivos y otros compuestos peligrosos y son capaces de medir una concentración mínima de 1 parte por millón (Nagle, Schiffman, & Gutierrez-Osuna, 1998).

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Los sensores de ondas acústicas de superficie se basan en las olas acústicas que viajan en la superficie de los transductores. El dispositivo de onda acústica de superficie está hecho de una placa relativamente gruesa de materiales piezoeléctricos (oxido de zinc y niobato de litio, etc.) con electrodos interdigitados para excitar la oscilación de la onda superficial. El SAW es estimulado mediante la aplicación de una corriente alterna (AC) de tensión a los dedos de los electrodos interdigitados que conducen a una deformación de la superficie del cristal piezoeléctrico. La adsorción de una molécula de gas provoca un cambio en la masa causando con ello un cambio en el desplazamiento de frecuencia o fase. La ventaja de estos sensores es que son fáciles de fabricar, mientras que su inconveniente es que son sensibles a la temperatura, y que el ruido en la señal aumenta con la disminución de tamaño. Los SAW operan a frecuencias más altas que los QCM y por lo tanto pueden medir un mayor cambio en la frecuencia, pero son menos sensibles que los QCM debido a su pobre señal a fragmentos deruido debido a la mayor relación de superficie a volumen. SAW es más barato que el MCC.

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Una desventaja general de los sensores piezoeléctricos es que requieren de electrónica compleja en su manufactura, también requieren detectores de frecuencia cuya frecuencia de resonancia puede variar según la edad de la membrana (T. C. Pearce, 2003).

2.3 Sensores MOSFET Los sensores de sustancias olorosas de Transistores de Efecto de Campo de Semiconductores de Oxido Metal (MOSFET) se basan en el principio de que los compuestos volátiles orgánicos en contacto con un metal catalítico puede producir una reacción en el metal. Los productos de la reacción pueden penetrar a la puerta del MOSFET para cambiar sus propiedades eléctricas. Un compuesto orgánico volátil produce una reacción en la capa sensible, lo que provoca la propiedad física de la puerta para cambiar, cambiando así la tensión de umbral y por lo tanto la conductividad del canal. Este dispositivo consta de tres capas: un semiconductor de silicio, un semiconductor de óxido de silicio y un metal catalítico llamado puerta (Nagle, Schiffman, & Gutierrez-Osuna, 1998).

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Los MOSFET son sensores robustos con baja sensibilidad a la humedad pero cuya selectividad y sensibilidad pueden ser afectadas por la temperatura de funcionamiento (75-200oC), el tipo de metal de puerta y la micro estructura del metal catalítico. Su robustez característica los hace particularmente útiles en aplicaciones medioambientales. También muestran buena sensibilidad a tóxicos y sustancias flamables.

2.4 Sensores Ópticos Los sistemas de sensores ópticos son de cierta forma más complejos que las típicas matrices de sensores con mecanismos transductores basados en cambios en la resistencia eléctrica. Los sensores ópticos trabajan por medio de la medición de la modulación de la luz y consiste en una variedad de tecnologías que van desde diversas fuentes de luz con fibra óptica a varios fotodiodos y fotodetectores sensibles a la luz. Las propiedades características de las ondas electromagnéticas tales como amplitud, frecuencia, fase y / o estado de polarización se puede utilizar con ventaja. Distintos modos de operación han sido desarrollados para medir los cambios en la absorción, fluorescencia, la luz polarización, espesor de la capa óptica, o la respuesta al contraste de color (Nagle, Schiffman, & Gutierrez-Osuna, 1998).

Los sensores ópticos más simples usan indicadores de cambio de color, tales como metaloporfirinas, para medir la absorbencia con un LED y sistema fotodetector a la exposición compuestos específicos de gas. Dos tipos especializados de sensores ópticos son los sensores colorimétricos y de fluorescencia. Los sensores colorimétricos utilizan películas de colorantes químicamente sensible como matriz de sensores colorimétricos. Los sensores de fluorescencia detectan emisiones fluorescentes de luz del analito de gas en una longitud de onda más baja y son más sensibles que las matrices de sensores colorimétricos (Wilson & Baietto, 2009).

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3 Técnicas de procesamiento de la señal Narices Electrónicas Una nariz electrónica es un instrumento que comprende un conjunto de sensores químicos electrónico con especificidad parcial y un apropiado sistema de reconocimientos de patrones que es capaz de reconocer tanto olores simples como complejo. Esta definición restringe el término nariz electrónica a esos sistemas de sensores inteligentes que son usados para censar moléculas odoríficas de manera similar a las narices humanas. Sin embargo un arreglo de sensores de gases inespecíficos pueden ser también usados para detectar componentes simples o mezclas de gases o vapores. Cada sensor (i) dentro de una nariz electrónica produce una señal eléctrica Xij(t) dependiente del tiempo en respuesta a un olor j. La señal de sensores dinámicos depende de varios parámetros físicos, tales como la velocidad del flujo que entrega el olor desde la fuente al arreglo de sensores, la naturaleza del olor, la difusión y la reacción del olor dentro del material activo de censado y las condiciones ambientales. Es común en la práctica solo usar la respuesta de los valores estáticos en vez de los valores dinámicos (transitorios). Las respuestas de los sensores son comúnmente esperadas a que tengan ciertos valores constantes cuando los valores de entradas han sido condicionados a valores constantes. La respuesta generada por un arreglo de sensores puede ser representada por un vector de de tiempo-independiente rj = (r1j, r2j,…,rij,…,rnj) donde n es el numero de sensores de olor en el arreglo. Entonces la respuesta a una cantidad m de olores puedes ser representada como un vector columna m, lo cual está mejor representado por una matriz de respuesta R:

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Los sensores de olores no se comportan como sensores independientes; en vez, un sensor individual responderá a una variedad de olores con cierta sensibilidad. Entonces los términos diagonales de la matriz antes descrita (R) son usualmente diferentes de cero. Es bajo estas condiciones que las técnicas de reconocimientos de patrones son requeridas para procesar las señales generadas por un arreglo de sensores y de este modo extraer la información útil. Apenas en los últimos años el uso de señales dinámicas en sistemas de multisensores ha recibido cierta atención ya que se ha determinado que existen diversas razones por la cual darles importancias en el campo de las narices electrónicas: 







Bajo ciertas condiciones, las repuesta dinámica de los sensores

(“Solid-state gas”)

contiene información útil. La respuesta dinámica contiene información acerca de la cinética química del sensor y esta varia tanto con el tipo de sensor y el analito. Esta información adicional puede ser obtenida de la respuesta transitoria de un sensor a un cambio controlado de la concentración del analito o al cambio en la temperatura del sensor. Algunos sensores tiene una respuesta muy lenta ante la interacción con olores débiles. Medidas no estáticas son necesarias cuando los cambios del ambiente están en la misma escala de tiempo que la respuesta del sensor. Esto puede ayudar a ampliar el campo de aplicación de sistemas de sensores inteligentes. El sistema de entrega de muestra y el arreglo de sensores, ambos forman parte de un sistema dinámico. El tiempo necesario que necesita el sistema para comportarse como un sistema estático depende de parámetros tales como la velocidad del flujo, volumen de la cámara de sensores, velocidad de difusión del olor y la velocidad de reacción del sensor. Cuando los sensores son modelados usando valores estáticos, la calibración de estos puede tomar un largo tiempo, especialmente cuando una calibración para multiolores es requerida. Por lo tanto, el modelado dinámico ayudaría a reducir el tiempo de calibración. Incluso cuando los sensores se mantienen censando mezclas de gases idénticos no entregan una respuesta estable para un largo tiempo de operación. En otras palabras los sensores tienden a mostrar variaciones temporales significantes. Estas variaciones podrían ser debido a procesos desconocidos en el sistema de censado, como envenenamiento, envejecimiento o cambios graduales del ambiente. Las variaciones

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pueden afectar seriamente la calibración de los sensores. Por lo tanto cuando un sistema inteligente de censado las variaciones pueden ser ajustadas por algoritmos de reconocimientos de patrones.

3.1

Técnicas de análisis de patrones estáticos

La respuesta estática generada por un arreglo de sensores de olor puede ser procesada usando una variedad de técnicas. La figura a continuación muestra la estructura básica del procesado de la data de una nariz electrónica.

Cuando un conjunto de m olores es introducido en una arreglo de n sensores de olor, las salidas de los sensores son pre procesadas entonces la matriz respuesta, modificada R puede ser introducida en el motor de reconocimiento de patrones (PARC). La naturaleza del PARC es usualmente clasificada por los términos, Paramétrico, No Paramétrico y Supervisado o No supervisado.

Una técnica paramétrica está basada en la asunción de que la data obtenida puede ser descrita por una función de densidad de probabilidad (PDF) y una técnica No paramétrica no asume ninguna PDF para la data obtenida por el sensor y así le aplica mas generalidad. En un método PARC supervisado un conjunto de olores son sistemáticamente introducidos a la nariz electrónica, los cuales son clasificados de acuerdo a parámetros conocidos y así crear una base de conocimiento. Entonces para una segunda etapa un olor desconocido es probado contra la base de datos y está arroja un valor para dicho olor. Otros métodos PARC no necesitan un entrenamiento por separado pero aprenden de diferentes formas en base a las respuestas automáticas del sistema, aprendizaje no supervisado.

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Técnica de pre procesado: Es importante examinar la data generada por un arreglo de sensores de olor para poder elegir el mejor sensor y el mejor método de procesado y PARC. Pre procesando la información entregada por el arreglo de sensores nos ayudaría a analizar la data de problema específico como linealizar la salida de los sensores o compensar algún tipo de fluctuación en la respuesta del sensor. Método de calibración lineal: El método lineal de calibración multivariado es a menudo utilizado para procesar la data de los arreglos de sensores y obtener la concentración dentro de mezcla multicomponente. Dos métodos comunes de calibración son; PLS y el PCR. Método de calibración no lineal: La mayoría de los sensores químicos son no lineales, el use de técnicas lineales son aceptable siempre y cuando la concentración del vector resultante es constante. En este caso la parte no linear de la respuesta puede ser aproximadamente linealizada. En el caso de que no se pueda realizar esta operación se debe utilizar un método de calibración no lineal como es el MARS.

3.2 Modelos Dinámicos y sistemas de identificación Las técnicas que son típicamente utilizadas para modelar las respuestas dinámicas del sensor son prestadas del área de sistemas de identificación. Sistema de identificación es el proceso de desarrollar una representación matemática de un sistema Químico/Físico dinámico utilizando data experimental tanto para las entradas como las salidas. La mayoría de los métodos que se han desarrollado para estudiar los problemas de ingeniería asumen linealidad y estacionalidad. Sin embargo casi todos los transductores químicos están caracterizados por respuestas no lineales dinámicas. 



Modelo Lineal: Los modelos lineales han sido aplicado en diversas áreas tales como, econometría, sistemas biológicos y sistemas de control. Su aplicación para la identificación de sistemas de arreglo de sensores para el análisis de gas es reciente. El objetivo del modelo dinámico es prever la salida del sensor a partir del conocimiento de la señal de entrada en condiciones dinámicas. Simplemente la inversión del modelo nos permitiría identificar la entrada a partir de la señal de salida del sensor. Los modelos más comunes son el ARMA (Media móvil autor regresiva) y ARX (Auto regresiva con entrada extra) Modelo no lineal: Los sensores químicos son casi siempre no lineales para altas concentraciones de gas. Mucho de ellos son aun no lineales inherentes para bajas concentraciones de gas. Transporte, procesos de adsorción y de reacción que tienen lugar en el sensor son intrínsecamente no lineales y dinámicos. Esos, un instrumento de la nariz electrónica puede ser representado como un sistema no linear. Par tratar estos casos se emplean los modelos no lineales de serie de tiempo.

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Identificación del Sistema: Las técnicas utilizadas para identificar un modelo para los datos medidos típicamente consiste en métodos paramétricos o no paramétricos. Con las técnicas no paramétricas, método dominio del tiempo y la frecuencia, muchas asunciones acerca del sistema a modelar son requeridas y por lo tanto le agrega más generalidad. Por lo tanto las técnicas paramétricas, modelo de estructura, en algunos casos pueden ofrecer mejores resultados, especialmente cuando la cantidad de datos es limitada.

4 Aplicaciones Narices Electrónicas Los sistemas de narices electrónicas han sido diseñados específicamente para ser usado en numerosas aplicaciones en muchos procesos de producción industriales diferentes. Una gran variedad de industrias basadas en algún tipo de producto en especifico y categoría, tales como la de automóviles, comida, empaquetado, cosméticos, medicina, química analítica e industrias biomédicas utilizan narices electrónicas para un gran rango de aplicaciones incluyendo control de calidad de materias primas y productos manufacturados, diseño de procesos, monitoreo de la frescura y madures, autenticación de productos de primera clase, clasificación de esencias y perfumes, detención de microbios patógenos y estudios de evaluación ambiental.

4.1 Industria Alimenticia Las narices electrónicas son particularmente útiles en el control de calidad de los productos alimenticios. Tradicionalmente la calidad de los alimentos estaba asignada a paneles de expertos humanos y complementados con instrumentación tradicional de la química analítica. La inserción de las narices electrónicas en este sector de aplicaciones está siendo impulsada por su confiabilidad, objetividad, costo y respuesta casi instantánea. Entre las aplicaciones especificas dentro de la industria de la alimentación está la determinación de la calidad 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 “packaging”

de alimentos y determinación del tiempo en que se produce la pérdida de calidades de aroma en producto conservados. Para futuras aplicaciones se prevé un uso doméstico masivo en integración con electrodomésticos como refrigeradores y hornos de microondas, o en restaurantes, para evitar el riesgo de la utilización o ingestión del alimento vencido y para control adecuado de cocción justa.

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En muchos casos las narices electrónicas se usan para aumentar la capacidad o reemplazar los paneles humanos de control de calidad. En otros casos se usan para reducir la cantidad de análisis de química analítica, especialmente cuando son suficientes los resultados de tipo cualitativo. Un área emergente es en el desarrollo de productos creando nuevos aromas, buscando un buen ajuste entre los aromas sintéticos y los aromas naturales, o bien desarrollando nuevos aromas estudiando la relación con los existentes. Algunos productores de agua mineral, de cerveza y de café ya utilizan narices electrónicas en el control de la calidad de sus bebidas. Algunas vinaterías las están utilizando en sus distintos laboratorios de ensayo para la identificación de contaminantes químicos no deseados en los vinos y su relación con los corchos y botellas utilizados. Una corporación productora de códigos de barras, actualmente está registrando los derechos de una nariz electrónica para ser incorporada en un scanner de chequeo e identificación de productos por el olor. También se utilizan para separación de aromas de aceites de oliva extra virgen, normal y de baja calidad. Además se han realizado estudios de la evolución del aroma de naranjas para empresas productoras de jugos de fruta.

4.2 Aplicaciones en Diagnóstico Médico Antes del uso de los métodos de química analítica en el diagnóstico médico, que comenzaron en el siglo 19, el olfato fue una técnica común de diagnostico y los médicos eran entrenados para utilizarla. De hecho, el término médico “Diabetes Mellitus” literalmente significa “orina dulce” y

tiene origen en la época en que los médicos utilizaban el olfato y el gusto como técnicas de análisis. La evolución fue relegando estas prácticas aplicándolas sólo en aislados casos. Hoy, las narices electrónicas ofrecen un nuevo potencial para esta técnica debido a su reproducibilidad, objetividad y una aceptable aproximación analítica. Las narices electrónicas pueden examinar distintos olores del cuerpo humano presentes en: respiración, heridas, y fluidos corporales, entre otros, e incluso identificar posibles problemas. 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.

4.3 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 de aire en ambientes urbanos abiertos o públicos

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cerrados (subterráneos, centros comerciales, etc.) y emisiones gaseosas de industrias. También se encuentran aplicación en la detección de emisiones de automotores, en la verificación de solventes y en la determinación de los añadidos químicos para el mercado automotor. En industrias químicas las narices electrónicas sirven para establecer exactamente la localización de un olor potencialmente dañino en el ambiente de trabajo al identificar un sistema de mezclas de vapores. El hecho de perfilar un ambiente químico en una situación peligrosa permitiría que los equipos de emergencia seleccionaran exactamente el retardador del fuego, estrategias de la contención y de protección. Las compañías químicas utilizan la tecnología de las narices electrónicas para detectar los escapes en tuberías y envases de almacenaje con riesgo ambiental.

4.4 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 como son el estado coherente, la presencia de contaminantes, dando una mayor seguridad a la calidad del producto. Eliminación de olores en autos nuevo, no deseado por compradores exigentes. 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. En la producción de detergentes, desodorantes y, en general en la industria del cosmético, son utilizadas regularmente.

4.5 Aplicaciones Multimedia Los sistemas multimedia son ampliamente utilizados en los ambientes de consumidores electrónicos hoy en día. Donde los humanos se pueden comunicar atreves de interfaces multisensoriales. Desafortunadamente la detección de olores y los sistemas de generación no forman parte de los sistemas de multimedia de hoy en día. Por lo tanto podríamos utilizar las narices electrónicas en ambientes multimedia.

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CONCLUSION La nariz electrónica es un sistema originalmente creada para imitar el funcionamiento del olfato animal, sin embargo, este instrumento analítico es más una tecnología de matriz de sensores que una nariz real, y sin importar la tecnología de sensores utilizados, las narices electrónicas aun está muy distante de alcanzar el nivel de sensibilidad y selectividad del olfato de los mamíferos. A pesar de sus limitaciones, aunque no sea apta aun para remplazar del todo el olfato humano, esta tecnología es de bastante utilidad para la monitorización continua de atmosferas controladas y el análisis cuantitativo de olores específicos, y su uso va en aumento en entornos como la industria alimenticia, los diagnósticos médicos, procesos industriales y aun en el campo militar. Aun hay mucho campo por abarcar en investigaciones sobre el tema de narices electrónicas dada las limitaciones que aun tiene esta tecnología, como lo es la mejora en la respuesta de los sensores, amplitud de la gama de olores detectados, reducción del ciclo de respuesta, etc. Con estas investigaciones en curso, es de esperarse que en los próximos años contemos con narices electrónicas fiables, compactas, económicas y potentes, lo cual les permitirá abrirse paso en forma masiva en múltiples ámbitos de aplicación, tanto industriales como domésticos.

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Narices Electronicas

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