De los modelos olfativos a la “nariz electrónica”.

De los modelos olfativos a los “electrónicos nariz” ..

DE LOS MODELOS OLFATIVOS A LA “NARIZ ELECTRÓNICA”.
NUEVAS OPORTUNIDADES PARA EL ANÁLISIS PARALELO

Los rápidos avances en el campo de los dispositivos electrónicos de visión y audición plantean a los científicos e ingenieros el desafío de desarrollar el mercado de dispositivos técnicos similares a la nariz humana. El enfoque tradicional consiste en aumentar la selectividad de sensores altamente sensibles. Fue en esta dirección que se obtuvieron resultados prácticamente significativos en el campo del análisis de enzimas, inmunoabsorbentes ligados a enzimas y ligandos-receptores. Un enfoque fundamentalmente nuevo para resolver el problema implica el uso de múltiples sistemas de sensores relativamente no selectivos.

Este enfoque se basa principalmente en el rápido desarrollo de la tecnología informática, que proporciona procesamiento en tiempo real de información multiparamétrica. Con un enfoque multisensorial, es posible extraer información con precisión conocida sobre la composición y la concentración de componentes individuales en mezclas de múltiples componentes. La selectividad de los sensores individuales respecto a los componentes medidos no es crítica; al contrario, es importante que dichos sensores se caractericen por una sensibilidad cruzada significativa. La idea de un enfoque multisensorial resultó bastante fructífera y, por lo tanto, se formó un nuevo tipo de sistemas analíticos artificiales: nariz electrónica”. Actualmente, varias empresas ya han realizado aplicaciones serias para el uso de las herramientas analíticas desarrolladas para evaluar la calidad de los productos alimenticios, monitoreo ambiental y diagnóstico médico (por olfato), así como aplicaciones muy poco convencionales en medicina forense, seguridad y militares especiales. equipo.

El uso de herramientas y tecnologías electrónicas modernas para resolver diversos problemas relacionados con la determinación de la calidad del olor es, sin duda, de gran relevancia. Las capacidades analíticas de los cromatógrafos de gases y líquidos y los espectrómetros de masas modernos permiten obtener una variedad de información sobre la composición cualitativa y cuantitativa de los olores de productos y objetos ambientales; sin embargo, tales estudios a menudo son excesivamente costosos, requieren mucho tiempo y, con Raras excepciones, no son aplicables para condiciones de investigación que no sean de laboratorio (“campo”). Es por ello que se da prioridad al desarrollo de analizadores más simples, más baratos y, lo más importante, más rápidos, las llamadas “narices electrónicas”. Este último se refiere a sistemas multisensoriales para una evaluación rápida de la calidad de los olores en condiciones prácticas.

Los sensores portátiles para muchos componentes de mezclas de gases son bien conocidos y han encontrado una amplia aplicación en la práctica analítica. Sin embargo, las tecnologías modernas y el «know how» en el campo de la «nariz electrónica» han proporcionado un nivel cualitativamente nuevo de instrumentación analítica. El uso de una línea de receptores que funcionan en paralelo en combinación con capacidades modernas para procesar señales multiparamétricas (imágenes olfativas — «patrón») en tiempo real brinda a los investigadores una herramienta poderosa, y las principales aspiraciones de los desarrolladores, sin duda, están dirigidas a a conquistar el mercado de dispositivos para investigación fuera de laboratorio.

Cabe señalar que todavía no existen análisis paralelos. Más precisamente, no existe un término establecido oficialmente y reconocido y su existencia ocurre, por así decirlo, en una dimensión diferente (paralela) y una cualidad diferente (paralela) en relación con la analítica clásica — análisis de procesos y mediciones secuenciales.

Sin embargo, el análisis paralelo, entendido como análisis de procesos físicos y químicos que ocurren simultáneamente con procesamiento paralelo (en tiempo real) de información multidimensional entrante, existe sin lugar a dudas. Los datos modernos nos permiten afirmar que es sobre los principios del análisis paralelo que se lleva a cabo la percepción del mundo de los olores por parte de humanos y animales. Un ejemplo típico de la aplicación práctica del análisis paralelo a los problemas modernos del microanálisis son los dispositivos de “nariz electrónica”.

A diferencia de los sentidos físicos (visión, oído, percepción táctil), que estaban adecuadamente desarrollados y conceptualizados, los órganos de los sentidos químicos estaban rodeados de un aura de misterio y no fueron explorados en su totalidad. Debido a las dificultades inherentes a la comprensión de la naturaleza de las sensaciones químicas, durante muchos años sólo se han hecho intentos esporádicos de reproducirlas artificialmente. Tales intentos deberían incluir, en primer lugar, los trabajos de Davis, Drevniks, Moncrieff, Wright, Wilkins y Hartmann, Eymour y otros, en los que se reprodujeron algunas propiedades esenciales de la percepción olfativa con la ayuda de ciertos mecanismos fisicoquímicos y dispositivos electrónicos. El principal obstáculo para el uso práctico de los primeros modelos olfativos fue su selectividad francamente baja y su imperfección tecnológica. La situación no cambió cualitativamente hasta finales de los años ochenta. Fue entonces cuando, en desarrollo de la idea de que el procesamiento paralelo por microprocesador de señales de muchos sensores no específicos puede conducir a la extracción de información específica, se obtuvieron los primeros resultados alentadores en diversas áreas de la actividad humana relacionadas con el papel clave de los olores y el gusto. .

Fue en 1980 cuando investigadores de la Universidad de Warwick en Coventry (Inglaterra) propusieron por primera vez una línea de sensores para detectar olores. Inicialmente se centraron en el aspecto sensorial del problema y, en particular, en la estabilidad de las características del sensor, los investigadores utilizaron sensores de óxido metálico como receptores primarios. Posteriormente, los resultados obtenidos se extendieron a receptores que utilizan polímeros conductores. Tenga en cuenta que en ambas tecnologías la percepción de señales químicas se llevó a cabo mediante un cambio en la conductividad de la capa sensible de los sensores.

Estos primeros avances, a pesar de importantes imperfecciones, dieron origen a varios proyectos comerciales. En agosto de 1991 se celebró el primer simposio en este campo bajo la dirección de un centro de investigación de la OTAN. El simposio despertó un gran interés por parte de otros grupos de investigación en el mundo y actualmente el número de equipos científicos y empresas comerciales que trabajan en problemas y tecnologías en el campo de la “instrumentación electrónica basada en la nariz” está aumentando constantemente.

Fueron los especialistas de la Universidad de Warwick a quienes se les ocurrió la buena idea de dar nombre a la nueva dirección. A pesar de la analogía bastante primitiva con la nariz humana en términos de implementación técnica, la marca «nariz electrónica», o E-nose, se ha arraigado y ahora es ampliamente reconocida. El trabajo posterior de Gardner y Bartleto (1992), Kress-Roger (1996) y varios otros investigadores resumió la segunda ola en el modelado del sentido del olfato y la creación de una nueva generación de sistemas artificiales.

Primero, determinemos las propiedades de los sensores de gas utilizados en los sistemas de nariz electrónicos”. Estos sensores, en primer lugar, deben ser tecnológicamente avanzados en su fabricación, fiables en su funcionamiento y garantizar la monitorización de los objetos durante largos períodos (horas, días, semanas e incluso meses). Las propiedades mencionadas actualmente se pueden lograr exclusivamente sobre la base de modernas tecnologías microelectrónicas.

Por otro lado, para la nariz electrónica es fundamental la idea de que cada sensor de la matriz de receptores primarios debe caracterizarse por diferentes sensibilidades parciales en relación con el espacio de olores analizados. Cada sensor en una matriz o línea de sensores tiene su propio perfil de respuesta característico en respuesta a la presentación de un espectro de olores probados. La imagen resultante de las respuestas de todos los sensores es bastante compleja y puede usarse para identificar y/o describir un olor determinado en una terminología generalmente aceptada y comprensible para los humanos sólo con el uso de modernas herramientas informáticas electrónicas.

Y finalmente, “una nariz electrónica permite, en principio, evitar muchos problemas asociados con el uso de personas especialmente capacitadas en diversos campos: catadores y perfumistas. Estos problemas incluyen: la distribución de parámetros individuales, la adaptación de la nariz humana viva durante la percepción a largo plazo, la influencia de la fatiga, diversas infecciones, sustancias tóxicas y la condición física en la agudeza del olfato; subjetividad en las evaluaciones de percepción y una serie de otros factores. Existe la opinión de que una «nariz electrónica» puede crear una imagen reproducible de los olores, superando en sus parámetros de identificación tanto las capacidades de la nariz humana como las de los equipos analíticos modernos, en particular GC/MS.

¿CÓMO FUNCIONA?

Como regla general, “una nariz electrónica es un sistema complejo que consta de 3 unidades funcionales que funcionan en el modo de percepción periódica de estímulos olorosos: un sistema de muestreo y preparación de muestras, una línea o matriz de sensores con propiedades específicas y una unidad de procesamiento para procesar señales de la matriz del sensor. En un dispositivo típico, la muestra es succionada por una bomba de aire a través del tubo de entrada hacia un compartimiento de cubeta termostatizado con una línea de sensores instalados en él. En la siguiente etapa, los sensores se exponen durante algún tiempo a los vapores de sustancias volátiles que componen el olor, mientras que las sustancias olorosas (OS), interactúan en la superficie y/o penetran en el volumen del elemento activo del sensor. , forman la respuesta general del sistema. Durante el intervalo de medición, la respuesta del panel táctil se analiza y se transmite al módulo del procesador. Luego se introducen en el sistema vapores de un gas de lavado (por ejemplo, alcohol) para eliminar la sustancia olorosa de la superficie y el volumen de la parte activa del material sensor. Finalmente, se suministra gas portador a la celda del sensor para preparar el dispositivo para un nuevo ciclo de medición. El período de tiempo durante el cual el sensor está expuesto al vapor fotovoltaico se denomina tiempo de respuesta. El segundo período (con el suministro de gas de lavado a la celda) se denomina tiempo de recuperación (período de latencia).

Como se desprende de la tabla. 2, según el principio de funcionamiento, los sensores conocidos se pueden dividir en cinco categorías principales según las mediciones: conductividad, ganancia de masa, características de la onda acústica superficial y parámetros ópticos.

Los sensores de óxido metálico se utilizan con mucha más frecuencia para resolver diversos problemas prácticos y, como resultado, son mucho más asequibles. El principio de funcionamiento de tales sensores se basa en cambiar la conductividad de una serie de semiconductores de gran espacio basados ​​​​en óxidos de estaño, zinc, titanio, tungsteno, indio e iridio, dopados con metales con propiedades catalíticas (paladio, platino) a niveles elevados. temperaturas en presencia de gases analizados.

Como parte del sensor, el material semiconductor que interactúa con las moléculas fotovoltaicas se encuentra entre dos contactos metálicos encima de un elemento calefactor resistivo, lo que garantiza la temperatura de funcionamiento del sensor en el rango de 200 — 400°C. Para reducir el consumo de energía del dispositivo y las pérdidas excesivas por generación de calor, los sensores se forman en dimensiones mínimas utilizando tecnologías microelectrónicas. En un lado del sustrato de zafiro se encuentra un calentador de platino de película delgada y en el otro — Elementos semiconductores sensibles y electrodos. Un ligero gradiente de temperatura entre el calentador y las capas sensibles permite mantener una temperatura de funcionamiento constante con alta precisión estabilizando la resistencia del calentador. El principal problema que resuelven los materiales de óxido dopantes es obtener la máxima especificidad alcanzable con respecto a los componentes objetivo de las mezclas de gases. La elección correcta de la temperatura de funcionamiento proporciona oportunidades adicionales para aumentar la selectividad.

Normalmente, el límite de detección de sensores basados ​​en materiales óxidos está en el rango de 5 — 500 ppm. Los sensores de este tipo tienen una sensibilidad (interferencia) bastante alta al vapor de agua y una tendencia a la deriva de la línea base. La compensación de dicha deriva, determinada por muchas razones, la proporcionan algoritmos integrados en el dispositivo de procesamiento de datos del procesador. Los sensores de óxido metálico también presentan una tendencia a envenenarse (inhibición irreversible) debido a compuestos volátiles de azufre y algunos otros compuestos orgánicos. Y, sin embargo, a pesar de las desventajas señaladas, el bajo coste y la disponibilidad comercial de este tipo particular de sensor han determinado actualmente su distribución más amplia.

Sensores conductores de polímeros

También se utilizan ampliamente como materiales activos para sensores de conductividad polímeros orgánicos conductores de la clase de los polipirroles, tiofenoles, indoles, anilinas o furanos. Cuando dichos polímeros se exponen al vapor fotovoltaico, se pueden formar varios tipos de enlaces (asociados iónicos, complejos de transferencia de carga, etc.), cambiando la naturaleza de los niveles electrónicos. Esto afecta la eficiencia de la transferencia de electrones a lo largo de la cadena del polímero, es decir, conduce a un cambio en su conductividad. La influencia de ciertos PV en la conductividad del polímero está determinada en gran medida por el contraión elegido para las mediciones, así como por los grupos funcionales con los que se modifica el material polimérico base. El uso de sensores de polímeros en dispositivos de “nariz electrónica”, así como para sensores de óxidos metálicos, se basa en el uso generalizado de tecnologías microelectrónicas (fabricación de sustratos de electrodos con espacios entre electrodos individuales de 1 0 — 20 micrones, etc. ). Se pueden formar capas micrométricas de polipirrol a partir de componentes monómeros líquidos mediante electropolarización con ciclos de voltaje de menos 0,7 V a 1,4 V. La variedad necesaria de materiales activos para crear una línea de sensores se logra variando los parámetros de ciclo y usando diferentes (con propiedades preseleccionadas) precursores de polímeros. De acuerdo con la naturaleza de difusión de la propagación de las moléculas fotovoltaicas en la capa sensible, el tiempo de respuesta del sensor de polímero es proporcional al espesor de la zona activa del polímero. Para reducirlo, siguen el camino de reducir el tamaño de la zona al tamaño de una micra. Los sensores de polímero funcionan a temperatura ambiente. Por lo tanto, son más fáciles de configurar y operar como parte de dispositivos portátiles. El límite de detección de PV puede alcanzar 0,1 ppm, pero suele estar en el rango de 10 — 100 ppm.

Las principales desventajas de las tecnologías existentes para crear sensores de polímeros están asociadas con la complejidad de los métodos para formar capas sensibles, que requieren tiempo y no proporcionan una alta reproducibilidad de las propiedades del material en serie. Sin embargo, teniendo en cuenta el rápido desarrollo de la fisicoquímica de los polímeros en la dirección de un «diseño» específico, el tipo de sensor inferior es, sin duda, extremadamente prometedor. Sobre esta base, en un futuro próximo se podrán proponer modificaciones técnicas fundamentalmente nuevas de la nariz electrónica para la detección inicial y la identificación de sustancias prácticamente importantes y sus mezclas (sustancias tóxicas, potentes, narcóticas, etc.) en condiciones no de laboratorio. .

Sensores basados ​​en medidas de incremento de masa

La familia de sensores piezoeléctricos para medidas de incremento de masa, al igual que la familia de sensores basados ​​en medidas de conductividad, se divide en dos subtipos:

microbalanzas de cristal de cuarzo (QCM) y sensores de ondas acústicas superficiales (SAW). El sensor PFC es un disco resonador de cuarzo de varios milímetros de diámetro con electrodos metálicos en ambos lados. Cuando se excita con corriente alterna, el cristal se caracteriza por su propia frecuencia de resonancia (por ejemplo, 10 MHz o 30 MHz), determinada, entre otras cosas, por su masa. De acuerdo con la dependencia establecida (Sauerbrey 1959), el cambio en la frecuencia de resonancia a partir del incremento de masa es:

l F=-2.3×106 F2 * l m/A

donde l F — cambio de frecuencia (Hz), F — frecuencia de resonancia del cristal piezoeléctrico (MHz), l m — aumento de la masa cristalina (g) debido a la adsorción de PV y A — área de la zona activa del cristal (cm2).

Cuando los sensores se exponen a vapores fotovoltaicos, estos últimos se adsorben en la superficie del recubrimiento polimérico. La exposición posterior del cristal a un gas que no contiene moléculas de una sustancia olorosa devuelve la frecuencia de resonancia a su nivel original.

La adaptación de KKM a aplicaciones técnicas especiales se logra, por regla general, mediante el uso de un recubrimiento polimérico especial. Esta tarea se ve facilitada enormemente por el uso de fases selectivas conocidas utilizadas en cromatografía de gases. Se están considerando propuestas individuales para el uso de anticuerpos específicos como fase de absorción, por ejemplo para detectar vapores explosivos. Se conocen resultados positivos de la investigación realizada por especialistas militares sobre la creación de dispositivos para detectar trazas de sustancias tóxicas y venenosas con un límite de detección de 1 pg. Se observa un rasgo característico del CMC que está asociado con la linealidad de la curva de calibración en un amplio rango dinámico. El tiempo de respuesta y el tiempo de recuperación de las estructuras resonantes selectivas se minimizan reduciendo tanto el tamaño como la masa del cristal de cuarzo y el espesor de la capa de sorción. Cabe señalar que existe una propiedad bastante común en todos los dispositivos en la que los desarrolladores utilizan activamente tecnologías microelectrónicas en la fabricación de sensores. De hecho, cuando se pasa al nivel submicrónico de los elementos de fabricación de los dispositivos de medición, la relación superficie/volumen aumenta, al tiempo que se introducen ciertas inestabilidades en los dispositivos, empeorando la relación señal-ruido y, en última instancia, reduciendo la precisión de las mediciones. Este patrón es válido para casi todo tipo de dispositivos fabricados con un alto grado de microminiaturización.

Sensores basados ​​en ondas acústicas superficiales (SAW)

Los sensores SAW son los parientes más cercanos de los sensores fabricados con tecnología PFC. Las ondas acústicas superficiales, según se desprende de la definición, son ondas que se propagan sobre la superficie de un dispositivo sin penetrar en el volumen. Las SAW funcionan a frecuencias significativamente más altas que las CMC (las SAW típicas funcionan a frecuencias de cientos de MHz). En este caso, las SAW pueden generar cambios significativamente mayores en la frecuencia de la señal grabada.

Al ser de naturaleza plana, las SAW se implementan utilizando tecnologías fotolitográficas modernas desarrolladas en microelectrónica. Esto determina las ventajas tecnológicas y de costes de los tensioactivos en relación a otro tipo de sensores, especialmente en los casos en los que la línea de sensores incluidos en la nariz electrónica debe ser bastante representativa según las condiciones del problema práctico a resolver.

La selectividad se imparte a los sensores fabricados con tecnologías tensioactivas (así como a los sensores con tecnología PFC) utilizando recubrimientos poliméricos especiales. El método de medición diferencial le permite deshacerse de los errores sistemáticos introducidos por los cambios de humedad, temperatura, etc. Por ejemplo, dos sensores de tensioactivos ubicados muy cerca, uno de los cuales tiene un recubrimiento de polímero especial, responden de manera idéntica a los cambios de temperatura, lo que lo hace posible tener en cuenta automáticamente su influencia en la señal diferencial.

Una cierta desventaja de las modificaciones de los sensores basadas en la medición del incremento de masa (CMC y surfactante) es su implementación de circuitos más compleja en comparación con los sensores de conductividad; sin embargo, esta desventaja a menudo se compensa con un límite de detección más bajo de los componentes del olor objetivo. El envejecimiento de las membranas sensibles (zonas activas de los sensores) también representa un cierto problema técnico, cuya solución se logra mediante métodos de software que garantizan el ajuste oportuno del dispositivo.

Sensores basados ​​en transistores catalíticos de efecto de campo (MOSFET)

Los transistores de efecto de campo de óxido de metal y silicio (MOSFET) sensibles a los olores se basan en reacciones químicas de compuestos orgánicos volátiles en la zona activa del sensor, aceleradas por metales catalíticamente activos. Los productos de reacción móviles, que se difunden a través de la puerta del MOSFET, cambian los parámetros eléctricos del transistor, lo que conduce a la aparición de una señal analítica amplificada. Una estructura MOSFET típica incluye una estructura semiconductora de tipo p con dos regiones dopadas en n y contactos metálicos. La sensibilidad y selectividad del dispositivo se garantiza variando el espesor de la zona activa y el tipo de catalizadores, así como seleccionando las temperaturas de funcionamiento a las que operan los elementos del sistema. Una de las desventajas de los sensores MOSFET está directamente relacionada con el principio de su funcionamiento, según el cual el producto de la reacción catalítica (por ejemplo, hidrógeno) debe difundirse a través de la capa catalíticamente activa para afectar la estructura sensible a la carga. Para ello, la disposición del sensor prevé la presencia de una especie de ventana de permeabilidad entre la capa catalíticamente activa y la puerta del transistor. Tecnológicamente, estos requisitos son bastante difíciles de satisfacer y, por lo tanto, el uso de dispositivos sensores MOSFET se limita actualmente principalmente a estudios de laboratorio.

Sensores de fibra óptica

Sensores de fibra óptica (OFS) — Otro tipo moderno de sensores utilizados en dispositivos como la «nariz electrónica», que utiliza microfibras de vidrio como elementos sensibles, recubiertas con un material químicamente activo en el extremo o superficie lateral. El material químicamente activo se crea a base de tintes fluorescentes especialmente seleccionados o sintetizados e inmovilizados en una matriz polimérica. Un haz de luz que se propaga a lo largo de la fibra óptica produce una especie de interrogación del recubrimiento químico. Al interactuar con componentes volátiles de los olores, la polaridad del entorno de los tintes cambia y estos responden al estímulo con los correspondientes cambios en el espectro de fluorescencia.

La resolución de las líneas de luz de excitación y la respuesta fluorescente del sensor se logra mediante métodos puramente espectrales o espectral-temporales. La ventaja de los sensores de fibra óptica es la disponibilidad comercial de una amplia gama de tintes fluorescentes desarrollados previamente para diversas aplicaciones científicas y técnicas. Esto pone en manos de los desarrolladores una amplia gama de recubrimientos y permite implementar varios tipos de dispositivos OVS. Las desventajas de la tecnología OVS incluyen una cierta complejidad de los dispositivos de este tipo en su conjunto: la necesidad de una fuente estabilizada de excitación. luz, un monocromador, un detector, etc., lo que incrementa el coste del dispositivo, su consumo energético y sus características de peso y tamaño. También hay que mencionar que un número importante de colorantes fluorescentes tienen una vida útil limitada, lo que está asociado a su fotodestrucción.

PROCESAMIENTO DE SEÑALES Y RECONOCIMIENTO DE PATRONES

La principal tarea que resuelve la nariz electrónica es identificar el olor de una muestra y, si es posible, establecer la concentración de la sustancia olorosa, lo que está asociado con el procesamiento de datos y la identificación de un patrón multidimensional de señales sensoriales (“imagen de olor”) . Como regla general, el problema se resuelve en cuatro etapas sucesivas: preprocesamiento de datos, identificación de características distintivas, clasificación y toma de decisiones. En la etapa de preprocesamiento, se elimina la deriva del sensor, los datos del sensor se comprimen teniendo en cuenta los procesos transitorios y se minimizan los errores relativos. En este caso, se utilizan técnicas tradicionales de procesamiento de señales, utilizadas, por ejemplo, en cromatografía: tener en cuenta la deriva de la línea cero, normalizar las respuestas sensoriales para una línea completa de sensores, etc. Aislar características distintivas tiene dos objetivos: reducir la dimensión del espacio de medición y extracción de la información necesaria para reconocer una imagen olfativa. Por ejemplo, si una línea de sensores contiene 32 elementos, entonces el espacio de medición se caracteriza por 32 componentes, lo cual es bastante complejo tanto a la hora de crear una base de datos suficiente como durante el posterior procesamiento estadístico de los resultados.

Debido a que los sensores se caracterizan por su sensibilidad cruzada, en la mayoría de los casos prácticos este número resulta evidentemente excesivo. Por tanto, está justificado reducir la dimensión del espacio de medición identificando los elementos sensoriales más informativos. Estas operaciones se llevan a cabo utilizando el aparato matemático de análisis de componentes principales (PCA) o análisis discriminatorio lineal (LDA). El método PCA proporciona la determinación de la dirección de máxima discriminación de patrones de respuesta sensorial y se utiliza con mayor frecuencia en la aproximación lineal. Sin embargo, este método no es óptimo para resolver problemas de clasificación. El método LDA se utiliza con mayor frecuencia para resolver problemas relacionados con problemas de clasificación. Este método permite encontrar la dirección en la que se logran las mayores diferencias entre muestras con diferentes olores, minimizando al mismo tiempo las diferencias entre muestras con los mismos olores. Debido al hecho de que es probable que durante el funcionamiento de una nariz electrónica se produzcan desviaciones bastante grandes de la linealidad, obtener información cuantitativa correcta requiere métodos capaces de procesar datos sin conocimiento a priori de las dependencias funcionales entre las señales de entrada y los parámetros de salida, es decir, Métodos no lineales y no paramétricos. Varios grupos de investigación han propuesto transformaciones no lineales, como mapas de Sammon no lineales y mapas de Kohonen autoorganizados. Los mapas de Sammon proporcionan una transformación de datos en un espacio bidimensional o tridimensional que preserva la distancia entre cada par de muestras en el espacio del sensor n-dimensional original. Los mapas de Kohonen transforman el espacio n-dimensional de los sensores en el espacio bidimensional de elementos de procesamiento llamados neuronas.

Las neuronas adyacentes están dispuestas y combinadas de tal manera que permiten el aprendizaje autoorganizado del sistema de acuerdo con ciertos principios neurobiológicos. En la etapa final de clasificación, una vez obtenidos los espacios de respuesta neuronal, se lleva a cabo la identificación propiamente dicha del olor. Los métodos clásicos para realizar este procedimiento son: el método de las K neuronas más cercanas (NBN), clasificadores bayesianos y las redes neuronales artificiales (RNA).El último método de procesamiento de señales para dispositivos de «nariz electrónica» es, según muchos investigadores, el más prometedor. Las redes neuronales son simulaciones por computadora de neuronas que interactúan en el cerebro humano y son un ejemplo de métodos de reconocimiento de patrones no paramétricos. El reconocimiento de patrones, por regla general, se lleva a cabo en tres etapas: extracción de rasgos característicos de una matriz de datos, clasificación e identificación. Una red neuronal consta de una serie de unidades de procesamiento de información simples interconectadas — neuronas. Las capas de neuronas que reciben información externa se denominan capas de entrada que generan el resultado final: fines de semana, capas intermedias — interno u oculto. En este caso, cada neurona tiene varias entradas y una sola salida.

Las propiedades de una red neuronal como conjunto están determinadas no sólo por las propiedades de las neuronas y las cantidades de entrada, sino también por la disposición relativa de las neuronas y las conexiones entre ellas, es decir. topología de red. Es la topología y los valores de los factores de ponderación los que determinan las propiedades básicas de la red y su conocimiento”. El objetivo de entrenar una red neuronal — minimizando errores en las señales de salida, por ejemplo, la concentración de componentes de la mezcla analizada. El entrenamiento consiste en optimizar los valores de todos los factores de peso, temperatura y sensibilidad parcial cuando se trabaja con un conjunto de datos en muestras de composición conocida. Un conjunto de datos de este tipo debe ser representativo, es decir cubrir todo el rango de concentración de todos los componentes determinados, ya que las redes neuronales tienen poca capacidad de extrapolación. La cantidad de muestras necesarias para entrenar completamente la red depende de la complejidad del problema que se resuelve; es bastante grande y generalmente se determina empíricamente.

¿QUÉ? ¿DÓNDE? ¿POR QUÉ?

En la actualidad, un número bastante grande de narices electrónicas son dispositivos disponibles comercialmente.

Dado que desde el trabajo pionero el uso de las nuevas tecnologías en diversos campos de aplicación ha tenido prioridad inglesa, muchos de los instrumentos comerciales también son de origen inglés. Se trata de productos de empresas como Aroma-Scan, Bloodhound Sensor y EEV Chemical Sensor Systems. Otras empresas europeas incluyen la alemana Lennartz, la francesa Alpha M.O.S. y Tecnologías de sensores nórdicos suecos. Actualmente operan en los Estados Unidos Syrano Sensors, Electronic Sensor Technologies, Hewlett-Packard y Microsensor Systems. También hay varias empresas en Japón que están desarrollando tecnologías de “nariz electrónica”. La mayor cantidad de dispositivos presentados en la tabla. 2, cuestan entre 20 mil y 100 mil dólares, mientras que se prevé una reducción significativa en el costo de los productos a medida que mejore la tecnología de fabricación de los propios sensores. Hasta el momento prácticamente no existen en el mercado modelos portátiles de estos productos. Cabe esperar un avance tecnológico en esta dirección.

MÁS CERCA DE LA PRÁCTICA

La “nariz electrónica” ya ha recibido numerosas aplicaciones y ayuda a resolver muchos problemas relacionados con el aseguramiento de la calidad de los alimentos, la atención médica, el monitoreo ambiental, los productos farmacéuticos, el control de la calidad del aire interior, la seguridad y los asuntos militares. Sin embargo, cabe destacar que para resolver con éxito muchos de los problemas enumerados, las tecnologías utilizadas en la fabricación de la «nariz electrónica» deben ser mucho más avanzadas. La “nariz electrónica” se puede utilizar eficazmente en la industria alimentaria para evaluar la frescura del producto, el control de calidad y el control de calidad de los materiales entrantes, optimizar el funcionamiento de los biorreactores y minimizar las variaciones de productos entre lotes, monitorear la contaminación accidental o intencional o no. Cumplimiento de la marca de los productos industriales alimentarios. Por ejemplo, en la Universidad Estatal de Carolina del Norte se utilizó una “nariz electrónica” para evaluar el olor de varias marcas de granos de café. Después de una “formación” preliminar con catadores profesionales, se demostró la promesa de utilizar dispositivos de este tipo no sólo para objetivar evaluaciones organolépticas, sino también para seleccionar aromas prometedores de productos de café. Otra aplicación igualmente importante de los dispositivos de “nariz electrónica” es la evaluación de la frescura de los productos alimenticios, sobre todo porque hoy en día ni las pruebas gustativas ni las olfativas resuelven este problema en la medida necesaria. El olor individual de las secreciones humanas se utiliza desde hace mucho tiempo en la medicina clásica. un signo diagnóstico importante. Sin duda, la “nariz electrónica” puede proporcionar una ayuda significativa al realizar evaluaciones objetivas, clínica y forensemente relevantes de objetos que desprenden olores, como el aire exhalado, el sudor, la orina y las heces. En los estudios clínicos, el diagnóstico rápido de infecciones agudas mediante la calidad del olor del aire exhalado es, sin duda, de gran importancia. Esta técnica puede basarse en las características individuales del olor de cultivos bacterianos patógenos para los humanos. Controlar el olor del cuerpo humano puede ser extremadamente importante en términos de primeros auxilios, incluso en casa. En la industria farmacéutica, la «nariz electrónica» está diseñada para garantizar la detección de los componentes entrantes para la liberación de los productos finales, garantizando un control de alta calidad sobre el proceso tecnológico, así como garantizando los requisitos de seguridad durante el almacenamiento del producto.

Las aplicaciones forenses prometedoras de la “nariz electrónica” deberían aparentemente incluir el uso de información sobre olores en la investigación de asesinatos y otros crímenes contra la persona, y en particular la determinación del género y las características individuales del olor de una persona para diversos objetos. ; Portadores de olores (sudor, sangre, cabello, excrementos, instrumentos delictivos y otras fuentes indirectas de olor). Se supone que “se puede utilizar una nariz electrónica para garantizar un control eficaz de los empleados de las instituciones en relación con el abuso de alcohol y drogas.

Investigadores del Centro Médico Universitario de Durham (EE.UU.) utilizaron una “nariz electrónica” comercial con 32 sensores basados ​​en polímeros conductores para identificar fuentes de olores desagradables en productos farmacéuticos. Este desarrollo resultó carecer de las deficiencias de la nariz humana, que no podía detectar eficazmente los fármacos debido a una fatiga extremadamente rápida. Los desarrolladores de una filial del consorcio DAIMLER-BENZ AEROSPACE (Alemania) han creado un analizador de aire electrónico polivalente basado en tecnología PFC. Su prototipo era un dispositivo para controlar automáticamente el estado de la atmósfera en volúmenes aislados de naves espaciales tripuladas y estaciones orbitales. El ámbito de aplicación del dispositivo depende del tipo de configuración de los sensores piezoeléctricos. El dispositivo es capaz de determinar el estado y la calidad de productos alimenticios, químicos y de perfumería, identificar compuestos tóxicos en productos y desechos y examinar automáticamente la atmósfera en volúmenes cerrados. Los desarrolladores están convencidos de que un dispositivo de este tipo puede utilizarse con fines militares para detectar agentes tóxicos y biológicos, así como para resolver los problemas de los servicios de seguridad en aeropuertos y terminales aduaneras, en particular, para detectar explosivos y sustancias narcóticas prohibidas para el transporte de medicamentos de contrabando durante los controles de pasajeros. La “nariz electrónica” se puede utilizar con éxito para evaluar la calidad del aire ambiente, controlar los vertidos de gas y agua de empresas industriales y agrícolas, así como para resolver muchos otros problemas de protección del medio ambiente. Otra aplicación de la nariz electrónica podrían ser los primeros sistemas de alarma contra incendios que funcionan según el principio de detección de productos de combustión volátiles, sistemas de control de seguridad automatizados para industrias complejas y peligrosas creadas por el hombre (empresas de la industria nuclear, etc.). Por otra parte, cabe mencionar también el desarrollo, según los principios de la “nariz electrónica”, de sistemas de detección de minas instaladas y otras municiones, así como de sistemas para detectar procesos de envejecimiento de ojivas y proyectiles.

La “nariz electrónica” está en aumento

En los últimos años, el interés en el desarrollo de tecnologías de “nariz electrónica” ha sido exponencial.

Se puede predecir razonablemente que en un futuro muy próximo seremos testigos de la aparición en el mercado de toda una familia de dispositivos multisensoriales integrados en dispositivos portátiles para fines especiales. En cuanto a sus parámetros técnicos básicos, estos dispositivos no serán inferiores a los dispositivos analíticos modernos. Una parte importante de estos dispositivos se centrará en el análisis de muestras de aire, aunque ya se están desarrollando intensamente ideas relacionadas con la creación de analizadores multisensor de diversas muestras de agua. Por analogía con la “nariz electrónica”, estos dispositivos se denominan “lengua electrónica” y tienen como objetivo principal — control de fuentes de agua, productos alimenticios, etc. Desarrollados en una sola microestructura (ChIP), estos dispositivos, por regla general, contienen un módulo de micromuestreo, una línea de sensores fabricados en tecnología microelectrónica y un procesador para el procesamiento de señales y presentación de datos. La tecnología microelectrónica permitirá pasar a la producción de productos industriales con parámetros reproducibles en los próximos cinco años. Al mismo tiempo, se financiará intensamente la investigación científica destinada a mejorar las líneas multisensores para dotarlas de mayor selectividad y sensibilidad. Se da prioridad al desarrollo de dispositivos de muestreo y preparación de muestras en miniatura que proporcionen transferencia, purificación y concentración específicas de la muestra. Las investigaciones en curso sobre la integración de módulos concentradores de microfibrilas con tecnología microelectrónica muestran que, de manera realista, se pueden esperar logros importantes en esta área. Otro problema urgente está relacionado con la creación de sensores altamente sensibles para aplicaciones especiales. Por ejemplo, actualmente unos 10 grupos de trabajo interdisciplinarios trabajan en la creación de una nariz artificial para la determinación instrumental de secreciones volátiles (incluidas feromonas) de animales. La complejidad del problema radica en el hecho de que la sensibilidad de tales sensores debe ser al menos dos órdenes de magnitud mayor que la sensibilidad de la nariz humana en relación con los olores específicos que se analizan. Hay que tener en cuenta que al abordar problemas relacionados con el seguimiento de explosivos, narcóticos y otros productos de contrabando, la respuesta del sensor (y, en consecuencia, el tiempo de recuperación) debe ser de 10 — 100 veces más rápido que lo que se consigue con el nivel tecnológico actual. Es extremadamente importante para las aplicaciones prácticas de dichos sensores lograr una alta reproducibilidad de la respuesta (al nivel del 5% durante el período de uso), así como la estabilidad de las características de un dispositivo a otro.

TERCERA GENERACIÓN

Los aspectos más urgentes en la modernización de la “nariz electrónica” estarán, sin duda, relacionados con la reducción del peso, el tamaño y las características energéticas de los dispositivos. Además de la miniaturización, la agenda incluirá la creación de nuevos materiales químicos interactivos y nuevas tecnologías que mejoren las características de rendimiento de los sensores en relación con clases de sustancias prácticamente importantes. Se puede suponer razonablemente que el desarrollo de tales tecnologías ayudará a acercar los parámetros de producción de la “nariz electrónica” a su bioprototipo — El órgano olfativo de los animales. Es probable que sea en el camino del modelado biónico donde se cree una nueva (tercera) generación de «nariz electrónica», que ocupará legítimamente el lugar que le corresponde en la instrumentación analítica del futuro próximo. En conclusión, observamos que los investigadores rusos tienen una base importante y desarrollos originales en esta área y están teórica y moralmente preparados para desarrollar segmentos de este mercado.