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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


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


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


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


rosa

Nariz biológica

10,000 sensores de tipo biológico.


Nariz electrónica


Sensor de gas


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


Análisis de Componentes Principales (PCA), explora yreduce la dimensionalidad de una gran cantidad de datos.

Tratamiento de los datos

Patrón dereconocimiento

PC1

PC2


PCA


Sensores de gas comerciales


Nariz electrónica desarrollada


Resultados

Jabonesvarios


Resultados

Café Pisco


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.


Resultados

J.L. Solis et al, Identifyingnatural and artificial odorstrough noise analysis with asampling-and-holdingelectronic nose, Sensors andActuators B, 77 (2001) 312-315.


Resultados Hongos

Penicillium roqueforti

Penicillium verrucosum

Aspergillus flavus


Lengua humana


Lengua electrónica

líquido

Células del gusto

Sistema de sensores

electroquímicos

Lengua Humana

Lengua Electrónica

Cerebro (memoria)

Computadora (programa)

Respuesta

estímulos

datos


potenciostato

WE: electrodo de trabajoRE: electrodo de referenciaAE: electrodo auxiliar o

contraelectrodo

Lengua electrónica


Lengua electrónica desarrollada


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


Resultados

Agua

Naranja

Piña

Durazno

Pera

Manzana


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.


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


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


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


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


Sistema en una zona rural

Yaurisque, Cusco


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)


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%)


Prototipo de nariz y lengua desarrollado


Prototipo de nariz y lengua electrónica


Resultados - Pisco


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


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

%)


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.


Aplicaciones en Medicina

La piel, el esputo, la orina, las heces y el alientopueden se fuentes de olores que están relacionadascon algunas enfermedades.


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


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


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


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).


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.


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


Moises Alexander Rojas (estudiante deIng. Fisica de la UNI)

Lic. German Comina (Prof. Aux. UNI)

Joan Calzado (egresado de Ing. Fisicade la UNI)

Colaboradores

Gracias por su atención

[email protected]


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