Considere esto: ningún electrodoméstico barato puede decirle que su leche se ha estropeado más rápido que su nariz. Una bocanada y sabes que la leche se ha echado a perder. Los humanos han creado tecnologías que nos permiten ver estrellas distantes y átomos individuales, pero cuando se trata de oler, la nariz tiende a saber más.
Los sensores portátiles que imitan el sistema olfativo, conocidos como narices electrónicas, pueden usarse para identificar compuestos volátiles en el aire. Sin embargo, estos dispositivos aún no se han utilizado ampliamente porque pueden ser grandes, tener una fabricación compleja, solo son capaces de detectar uno o varios compuestos o carecen de precisión. Los derrames tóxicos, como el descarrilamiento de un tren en East Palestine, Ohio, en febrero, resaltan la necesidad de sensores portátiles y económicos que puedan identificar de manera rápida y precisa los compuestos volátiles en el sitio.
Ahora, un equipo de investigación dirigido por la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), ha presentado una nariz electrónica fácil de usar que puede «olfatear» compuestos volátiles de forma rápida y precisa, como los omnipresentes compuestos orgánicos volátiles (COV). El sensor es el primero de su tipo en ofrecer detección pasiva y activa con un solo sensor y utiliza el aprendizaje automático para identificar una variedad de partículas y sus mezclas.
«Único en nuestro enfoque, nuestro sensor implementa un ‘olfateo’ inspirado biológicamente. Genera patrones de secuencias de inhalación y exhalación, imitando la maquinaria crítica de reconocimiento de olores utilizada por los organismos, que involucra no solo detección química sino también procesos dinámicos de transferencia de masa», dijo Joanna Eisenberg, profesora Amy Smith Berelson de ciencia de materiales, profesora de química y biología química y autora principal del estudio.
«Nuestros resultados muestran que esta característica única aumenta en gran medida la capacidad de detección de cualquier nariz artificial, con amplias aplicaciones en respiradores para el diagnóstico de enfermedades, el control de la calidad del aire y los desechos peligrosos, o la detección del deterioro de los alimentos».
Investigación publicada en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
Compuestos orgánicos volátiles: benignos, letales, salvavidas
Los compuestos orgánicos volátiles se emiten al aire tanto de fuentes naturales como artificiales. Están en todas partes: se utilizan en todo, desde cosméticos hasta muebles, y se emiten en actividades agrícolas, gases de escape de vehículos, incendios forestales, procesos industriales y más. Los COV varían de benignos a mortales, por lo que medir su presencia, concentración e identidad es importante para monitorear la calidad del aire interior y exterior y los desechos peligrosos. Investigaciones recientes también han encontrado que la medición de compuestos orgánicos volátiles en el aliento y la orina puede detectar algunos tipos de cáncer en las primeras etapas.
Hoy en día, la mayoría de los dispositivos utilizados para identificar y medir los COV en el aire se basan en instrumentos sofisticados que tienden a ser voluminosos y requieren especialistas para operarlos e interpretarlos. Los investigadores están desarrollando narices electrónicas como alternativas portátiles que sean prácticas, confiables y fáciles de leer.
En lugar de tratar de simular los millones de receptores individuales en la nariz, lo que puede dar lugar a dispositivos voluminosos y difíciles de fabricar, Eisenberg y su equipo usan un solo sensor para detectar las propiedades ópticas de las moléculas que componen diferentes COV.
El sensor contiene capas alternas de nanopartículas de sílice y titania que tienen pequeños poros en el medio. El sensor se coloca encima de una pequeña caja de vidrio en la que se agrega una pequeña cantidad de líquido que contiene COV. A medida que el líquido se evapora, el gas se mueve hacia los poros del sensor, donde se absorbe y se condensa. A medida que ocurren estos procesos, aumentan los índices de refracción de cada capa del sensor, lo que cambia el color del sensor.
«El problema es que los índices de refracción de los diferentes gases son muy similares. Esto significa que el color del sensor se verá prácticamente idéntico al final del experimento, sin importar qué gas use», dijo Ida Pavlichenko, coautora del artículo y creadora del proyecto durante su tiempo como becaria postdoctoral en el laboratorio de Eisenberg.
Sin embargo, el equipo se dio cuenta de que los cambios en el índice de refracción del sensor evolucionan de manera diferente con el tiempo para diferentes compuestos, generando una especie de huella digital espectral dinámica para cada COV.
«Las tasas de todos los procesos, desde la formación de gotas en el fondo de la cámara hasta su evaporación, ascendiendo a través de la cámara y llegando al sensor, dependen de las fuerzas microscópicas únicas entre las partículas presentes», dijo Anna V. Schneidmann, asistente de investigación en el laboratorio de Eisenberg y una de las primeras autoras del artículo. «Por lo tanto, los cambios en el color del sensor con el tiempo se verán muy diferentes incluso para compuestos orgánicos volátiles muy similares, como la molécula de pentano de 5 carbonos y la molécula de octano de 8 carbonos».
El equipo identificó características específicas en el espectro de reflectancia dinámica de cada compuesto y utilizó estas características para entrenar un algoritmo de aprendizaje automático para identificar COV específicos, determinar la concentración de cada COV en un líquido mixto y predecir con precisión las propiedades físicas de los líquidos volátiles.
«El aprendizaje automático mejora la capacidad de estos sensores simples para hacer cosas asombrosas», dijo Schneidman.
«En este trabajo, usamos un modelo simplificado para mapear desde el espacio de olores en experimentos hasta especies químicas. Con conjuntos de datos más grandes, podremos hacer modelos más complejos con un poder discriminatorio más preciso», dijo Michael Brenner, profesor de Matemática Aplicada y Física Aplicada de SEAS y profesor de Física y coautor del artículo.
Obtener una bocanada de aire
Para acelerar el proceso de detección y proporcionar datos más completos al algoritmo de aprendizaje automático, el equipo recurrió al olfateo.
Si alguna vez has visto a un perro olfatear algo en su camino, sabrás que los perros usan ráfagas rápidas e intermitentes de olfateo y olfateo más prolongado.
«Los perros y otros mamíferos, incluidos los humanos, pueden modular de manera efectiva el tiempo, la velocidad y la profundidad del olfato. Esta observación del comportamiento, junto con muchos experimentos de neurociencia, indica claramente que los cerebros aprovechan la dinámica del sentido del olfato para hacer inferencias sobre los olores», dijo Venkatesh Murthy, profesor de Ciencias de la Vida Raymond Leo Erikson en el Centro de Ciencias de la Vida Molecular Leo Erikson de Harvard en la Universidad de Harvard, Venkatesh Murthy. Coautor del artículo.
Los investigadores descubrieron que los diferentes patrones de olfato también cambian la forma en que las partículas interactúan con el sensor. Las tasas de difusión, absorción, condensación y absorción cambian con diferentes duraciones de inhalación y exhalación.
«Al usar diferentes olfateos y exhalaciones, podemos comenzar a distinguir compuestos que antes eran difíciles de distinguir», dijo Haritosh Patel, PhD. candidato en SEAS y co-primer autor del artículo. «En la naturaleza, las concentraciones de estos compuestos varían mucho. Un tipo de compuesto puede requerir un patrón de olfateo más corto para no sobreexponer su sensor, mientras que en escenarios donde las concentraciones son muy pequeñas, es posible que desee tomar respiraciones más largas para saturar el sensor».
“El tamaño, la portabilidad y la facilidad de fabricación hacen que nuestro sensor sea más versátil que muchos sensores comerciales y adaptable a una amplia gama de compuestos y olores”, dijo Soeren Brandt, exestudiante de posgrado de SEAS y coautor del artículo. «En comparación con otras narices electrónicas, son más fáciles de fabricar, usar, reutilizar y mantener. Nuestro trabajo es un modelo para construir narices electrónicas que sean más eficientes y económicas».
más información:
Brandt, Soeren et al, Detección de un desequilibrio de compuestos volátiles mediante la administración activa y pasiva de analitos, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI: 10.1073/pnas.2303928120. doi.org/10.1073/pnas.2303928120
Información del diario:
procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias
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