La nariz y la lengua electrónica: En busca de aplicaciones ... · La nariz y la lengua...
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La nariz y la lengua electrónica: En busca de aplicaciones potenciales en salud
J.L. SolisInstituto Peruano de Energía NuclearUniversidad Nacional de Ingeniería
Fundamentos en Bioinformática y Biotecnología, Lima, 29 y 30 de Marzo 2010
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La determinación de olores y sabores es muy importante en algunasindustrias puesto que de ello depende la aceptación del producto por elcliente.
Mediante el olor o sabor uno puede decir si el producto es el mismo o se haproducido alguna modificación, por ejemplo por el olor se puede determinarsi el pescado que compra en el mercado está fresco, o según el sabor unopuede saber si el vino es de buena cosecha.
Se puede realizar este control utilizando un panel de personas muysensibles, pero como es un trabajo rutinario las personas al fatigarsepueden cometer errores. Estas personas entrenan su nariz y lengua.
Introducción
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Aplicaciones
Industria de AlimentosControl de la calidad durante el procesamiento y almacenaje(agua, vino, pisco, café, leche, jugos, gaseosas, etc.)
Control del proceso de envejecimiento (queso, whisky)SeguridadBúsqueda de armas químicas/biológicas, drogas, explosivos
Supervisión de la contaminación del aire y agua
Identificacion de sustancias tóxicas
Detección de fugas
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Aplicaciones
MedicinaDiagnóstico no-invasivo (respiración del paciente, análisis dela orina, sudor, olor de la piel, olor de la boca)
Identificación de olores y sabores desagradables de losproductos farmacéuticos
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rosa
Nariz biológica
10,000 sensores de tipo biológico.
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Nariz electrónica
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Sensor de gas
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Sensor de gas
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Arreglo de sensores
Ventajas:SelectivoMide en tiempo realMedida en línea
Desventajas:No hay sensor para algunos analitosMuchas veces no tienensuficiente selectividad
Arreglo se sensoresIdentifica y clasifica una muestra
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Análisis de Componentes Principales (PCA), explora yreduce la dimensionalidad de una gran cantidad de datos.
Tratamiento de los datos
Patrón dereconocimiento
PC1
PC2
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PCA
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Sensores de gas comerciales
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Nariz electrónica desarrollada
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Resultados
Jabonesvarios
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Resultados
Café Pisco
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Señal amplificada
Nariz electrónica basada en el ruido
Trasnformadade Fourier
1/f
Las fluctuaciones espontáneas dinámicas (ruido) de una variablefísica alrededor el valor medio contiene más información quesimplemente su valor medio.
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Resultados
J.L. Solis et al, Identifyingnatural and artificial odorstrough noise analysis with asampling-and-holdingelectronic nose, Sensors andActuators B, 77 (2001) 312-315.
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Resultados Hongos
Penicillium roqueforti
Penicillium verrucosum
Aspergillus flavus
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Resultados Hongos
Penicillium roqueforti
Penicillium verrucosum
Aspergillus flavus
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Lengua humana
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Lengua electrónica
líquido
Células del gusto
Sistema de sensores
electroquímicos
Lengua Humana
Lengua Electrónica
Cerebro (memoria)
Computadora (programa)
Respuesta
estímulos
datos
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potenciostato
WE: electrodo de trabajoRE: electrodo de referenciaAE: electrodo auxiliar o
contraelectrodo
Lengua electrónica
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Lengua electrónica desarrollada
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Resultados
0 1 2 3 4 5 6
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Volta
je (V
)Tiempo (s)
0 1 2 3 4 5 6
-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
Corrie
nte (m
A)
Tiempo (s)
Agua Naranja Durazno Piña Manzana Pera
Electrodo de Oro
0 1 2 3 4 5 6-0.06
-0.04
-0.02
0.00
0.02
0.04
0.06
Corrie
nte (m
A)
Tiempo (s)
Agua Naranja Durazno Piña Manzana Pera
Electrodo de Platino
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Resultados
Agua
Naranja
Piña
Durazno
Pera
Manzana
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Aplicación para determinar calidad de agua
Para determinar la calidad de las aguas se determina sucaracterística físico química y biológica. Los coliformes son buenosindicadores de la calidad higiénica del agua.
Para determinar el número de estas bacterias se suele emplear dostipos de procedimientos. El procedimiento del número más probable(MPN), y el de filtración a través de una membrana (MF).
Estos procesos normales de microbiología demoran 18 h. Usandoestas técnicas tradicionales no se puede monitorear el agua entiempo real.
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Resultados agua
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
-0.5
0.0
0.5
1.0
Electrodo Au
Corrie
nte (
A)
Voltaje (V)
Agua limpia con bacterias 2 1/2 horas con bacterias 3 1/2 horas
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
0
1
2
3
Electrodo Pt
Corri
ente
(A)
Voltaje (V)
Agua limpia con bacterias 2 1/2 horas con bacterias 3 1/2 horas
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Resultados agua
0 1 2 3 4 5 60
1
2
3
4
5
Corri
ente
(A)
Tiempo (s)
muestra 1 muestra 2 muestra 3
electrodo de Au
0 1 2 3 4 5 6-0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Corrie
nte (
A)
Tiempo (s)
muestra 1 muestra 2 muestra 3
Electrodo de Pt
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Monitoreo de la descontaminación de agua
0 1 2 3 4 5 60
2
4
6
8
10
12
Agua contaminada despues de 1 h de irradiacion solar despues de 3 h de irradiacion solar despues de 4 h de irradiacion solar
Electrodo Pt
Corri
ente
(A)
Tiempo (s)
0 1 2 3 4 5 6
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Electrodo Au
Corri
ente
(A)
Tiempo (s)
Agua contaminada despues de 1 h de irradiacion solar despues de 3 h de irradiacion solar despues de 4 h de irradiacion solar
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Monitoreo de la descontaminación de agua
0 1 2 3 4 5 6
0
2
4
6
8
Corri
ente
(A)
Tiempo (s)
Agua inicial 4 horas irradiación UV
Electrodo de Pt0 1 2 3 4 5 6
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
Electrodo Au
Corri
ente
(A)
Tiempo (s)
Agua inicial 4 horas de irradiación UV
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Sistema en una zona rural
Yaurisque, Cusco
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Resultados
0 1 2 3 4 5 6
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Electrodo de Au
Corri
ente
(A)
Tiempo (s)
agua de rio inicial 1 h despues de irradiada 2 h despues de irradiada 3 h despues de irradiada 4 h despues de irradiada
0 1 2 3 4 5 6
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
agua de rio inicial 1 h despues de irradiada 2 h despues de irradiada 3 h despues de irradiada 4 h despues de irradiada
Electrodo de Pt
Corri
ente
(A)
Tiempo (s)
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Resultados
-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0h
1h
2h
3h
4h
PC
2 (6
.1%
)
PC1 (93%)-1 -0.5 0 0.5 1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1 0h
1h
2h
3h
4h
PC
2 (3
2%)
PC1 (67.6%)
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Prototipo de nariz y lengua desarrollado
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Prototipo de nariz y lengua electrónica
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Resultados - Pisco
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Resultados
-1 -0.5 0 0.5-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8AR1
AR2
AR3
PA1
PA2
PA3PP1PP2
PP3
DU0
PC1:(76.7%)
PC
2:(1
1.8%
)
-1 -0.5 0 0.5 1-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
AR1
AR2
AR3PA1
PA2PA3
PP1
PP2
PP3
DU0
PC1:(48.6%)
PC2:
(23.
2%)
Lengua electrónica Nariz electrónica
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Resultados
-1 -0.5 0 0.5-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
AR1
AR2
AR3
PA1
PA2
PA3
PP1
PP2
PP3
DU0
PC1:(89.9%)
PC2:
(5.0
%)
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Aplicaciones en Medicina
El olor fue usado para diagnosticar en tiempos antiguos yesta directamente relacionado con la medicina tradicionalen diferentes culturas. aprender bastantesolamente oliendo a tu paciente con tu nariz. -Hipocrates,430 B.C.
Existe un interés en un equipo que puede detectar losgases que se liberan para usarlo como diagnóstico deinfecciones, intoxicaciones o enfermedades metabólicas.
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Aplicaciones en Medicina
La piel, el esputo, la orina, las heces y el alientopueden se fuentes de olores que están relacionadascon algunas enfermedades.
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Aplicaciones en clasificación de bacteriasBacteria classification using Cyranose 320 electronic nose, R. Dutta, E. L. Hines, J. W. Gardner, and P. Boilot, Biomed. Eng. Online. (2002) 1: 4.
Staphylococcus aureus
Haemophilus influenzae
Streptococcus pneumoniae
Escherichia coli
Pseudomonas aeruginosa
Moraxella catarrhalis
US $ 8000
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Aplicaciones en clasificación de bacteriasA. Pavlou, A.P.F. Turner and N. Magan, of anaerobicbacterial isolates in vitro using electronic nose Letters inApplied Microbiology, 35 (2002) 366 369.
Clostridium spp. Bacterioides fragilis
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Cancer del Pulmón
R. F. Machado, D. Laskowski, O. Deffenderfer, T. Burch, S. Zheng, P. J.Mazzone, T. Mekhail, C. Jennings, J. K. Stoller, J. Pyle, J. Duncan, R. A.Dweik, and S. C. Erzurum, "Detection of lung cancer by sensor arrayanalyses of exhaled breath", Am. J. Respir. Crit. Care Med.171(2005)1286-91.
14 personas con cancer en 10 dio positivo62 personas sanas en 57 dio negativo
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Asma
Dragonieri S, et al, "An Electronic Nose in the Classification ofAsthma", American Thoracic Society (ATS) meeting 2007;Abstract 2470.
Montuschi P, et al, performance of an electronicnose, fractional exhaled nitric oxide and lung function testing in
Chest (2010).
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Tuberculosis
A. K. Pavlou, N. Magan, J. M. Jones, J. Brown, P. Klatser, A. P.F. Turner,of Mycobacterium tuberculosis (TB) in vitro and in situ using an
electronic nose in combination with a neural network Biosensorsand Bioelectronics, 20 (2004) 538 544.
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Prototipo de nariz y lengua desarrollado
Se ha logrado discriminar diferentes niveles de aguacontaminada con E.coli.
Se ha logrado discriminar diferentes hongos
Se ha logrado discriminar diferentes piscos
Existen prespectivas de usar la nariz y lenguaelectrónica en medicina
Conclusiones
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Moises Alexander Rojas (estudiante deIng. Fisica de la UNI)
Lic. German Comina (Prof. Aux. UNI)
Joan Calzado (egresado de Ing. Fisicade la UNI)
Colaboradores
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Gracias por su atención
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