| ¿Qué
es una 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 NE es un instrumento de olfato artificial que permite
distinguir y reconocer aromas utilizando sensores de gas. 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. |
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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 estabilizacion 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. |
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Se entiende como sensor a un dispositivo que consta de dos partes
principales: El sensor puede en ciertos casos contar con una membrana selectiva,
que impide el paso de materia o radiación indeseable. En
la figura se esquematiza un sensor de gases o líquidos
junto con las etapas de procesamiento de señales. Esta
tipología de sensores es el utilizada en narices y lenguas
electrónicas. |
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Los sensores suelen poseer alta sensibilidad, es decir que pueden llegar a detectar niveles muy bajos de la especien en cuestión, dependiendo de la aplicación específica. Los sensores son generalmente de bajo costo, con capacidad de miniaturización y tienen la posibilidad de diseñarse especialmente para cada aplicación. Cuando se desean determinar concentraciones de una dada especie, la principal desventaja es que los sensores son inespecíficos: la señal de salida no puede asignarse unívocamente a una especie determinada. La comparación entre sensores e instrumentos se observa en tabla siguiente Comparación entre las características de sensores e instrumentos. |
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Comparación entre las características de sensores e instrumentos: |
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| Propiedad | Sensor | Instrumento
Específico |
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| Sensibilidad | Alta | Alta | ||
| Límite de detección | Variable | Muy bueno | ||
| Especificidad | Baja | Alta | ||
| Reproducibilidad | Moderada | Alta | ||
| Costo | Bajo | Alto | ||
| Instalación remota | Si | No | ||
| Transportabilidad | Sí | No | ||
| Modularidad | Sí | No | ||
| Caja negra | No | Sí | ||
| Adaptabilidad | Sí | No | ||
| Miniaturización | Sí | No | ||
| Sensores
de gas más utilizados A continuación se listan los nombres de referencia (en inglés) de los tipos de sensores de gases más utilizados actualmente: - MOX: metal oxide semiconductor (utilizados en las narices electrónicas
PampaNose I y II del tipo MEMS) Sensor de gas MOX: Metal oxide semiconductor |
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Las figuras ilustran los sensores MEMS que componen las narices de la serie PampaNose. Sobre un sustrato microfabricado en silicio cristalino se deposita una placa que soporta el micro-calefactor de platino y sus contactos eléctricos. Una placa dieléctrica lo separa de la película sensora, depositada sobre el mismo. La película activa de dióxido de estaño nanoestructurada mide unos 80 micrones (dibujada en naranja en la figura del centro). Los MOX están formados por una película delgada de un material policristalino semiconductor, típicamente dióxido de estaño (SnO2). Los films necesitan ser calentados localmente a temperaturas entre 300 y 600 °C para favorecer el proceso de conducción. También se suelen incorporar dopantes como aluminio (Al), antimonio (Sb), paladio (Pd), oro (Au), etc., para mejorar la sensibilidad del sensor ante determinados gases (selectividad). Las propiedades de los MOS como sensores dependen
fuertemente de las siguientes variables: El principio de funcionamiento se basa en el proceso de reducción
de la superficie de los granos del material cuando se acerca un
gas reductor: metano (CH4), monóxido de carbono (CO), alcoholes,
hidrógeno (H2), etc. De esta forma el gas reductor a ser
detectado introduce electrones móviles en la banda de conducción
a nivel superficial, disminuyendo la carga negativa que suele
estar atrapada y fija en la superficie por átomos de oxígeno
(gas oxidante) que no participan en el proceso de conducción. |
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Los films delgados de SnO2 (película sensible en la figura próxima) se suelen depositar sobre una membrana que a su vez se coloca sobre un soporte de silicio. La membrana es calentada entre 300 y 600 °C por un dispositivo calefactor. Todo el conjunto mide unos 500 micrones. |
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Micrografías de la película sensora de gas, mostrando a la izquierda las gotas de Sn antes de la oxidación y en la derecha los granos de SnO2 después del proceso de oxidación unidos por los cuellos (técnica RGTO). | |||
El sensor de gas sufre una variación en la conductividad cuando las moléculas componentes del olor se adsorben e interactuan con la nanoestructura de la película de SnO2. Sin embargo, la medición de esta variación no es suficiente para identificar un olor, dado que la mayoría de los sensores químicos son inespecíficos y están lejos de ser selectivos como para distinguir una especie gaseosa. Sin embargo, cuando se utiliza un gran número de sensores de gas distintos con baja selectividad se obtiene un patrón de señales que, bajo ciertas condiciones, permite tener una gran repetibilidad en la correspondencia única con un olor. La identificación de un patrón medido se realiza utilizando un software o algoritmo de reconocimiento que compara este patrón medido con aquellos almacenados en la memoria durante la etapa de aprendizaje. Un proceso muy similar es el que ocurre en el olfato biológico de los mamíferos. Este proceso de aprendizaje se lleva a cabo cuando la NE se usa para una nueva aplicación. Distintas muestras de olor se miden con la NE y su patrón sensorial característico (huella digital olfativa o diagrama) es etiquetado con un nombre y almacenado en la memoria de la computadora. Estas etiquetas con su nombre son mostradas por la NE cuando la misma detecta un olor similar. A esto se le llama diferenciar o reconocer. Los sensores desarrollados en Argentina por el Grupo E-Nose
se someten a un riguroso examen de capacidades y se caracterizan
exahustivamente para conocer su selectividad ante distintas especies
gaseosas. En el proyecto de investigación de narices electrónicas
se investiga el comportamiento de los sensores en condiciones
distintas, su respuesta a variaciones del medio y su desempeño
según morfología de la película sensible
y sus dopantes. Para ello se vale de un nuevo banco
de gases, de diseño similar al utilizado en
el Instituto IMM de la CNR de Bologna, Italia, construído
en uno de los laboratorios del grupo. El sistema controla precisamente
las cantidades de diferentes especies gaseosas que conforman una
mezcla en una cámara de medición. La cámara
puede acomodar hasta ocho sensores de gas y dos adicionales para
temperatura y humedad relativa. Tanto el control de la temperatura
y humedad como la estequiometría de la mezcla gaseosa presente
en la cámara se realiza mediante una PC conectada a electroválvulas,
controladores de flujo másico, mezcladores y baños
termostatizados. |
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El uso de un banco de gases de este tipo es fundamental en la elección de sensores para su instalación en una nariz electrónica, debido a que pueden elegirse aquellos que sean más sensibles y selectivos para cada aplicación, además de proveer información importante sobre su deterioro con el tiempo, lo cual es uno de los principales problemas de los sensores activos. |
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