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Química

Detección por el olor

Una nariz electrónica reconoce distintas especies de maderas y puede ayudar a combatir la extracción ilegal

Conjunto de sensores de gases usados en la análisis de vapores de sustancias volátiles

Eduardo CésarConjunto de sensores de gases usados en la análisis de vapores de sustancias volátilesEduardo César

da Agência FAPESP

Científicos del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP), en Brasil, desarrollaron “narices electrónicas” capaces de identificar y clasificar –por el olor– distintos tipos de maderas y de plásticos, y de detectar precozmente la contaminación de naranjas por hongos. Algunos de estos dispositivos se elaboraron en el marco del proyecto intitulados “Nuevos polímeros conjugados para células solares y narices electrónicas”. “La tecnología es sumamente sencilla y barata, y tiene diversas aplicaciones”, dice Jonas Gruber, docente del IQ-USP y coordinador del proyecto. Las “narices” están formadas por un conjunto de sensores de gases que alteran la conductividad eléctrica de algunos de los materiales con los cuales están elaboradas (entre éstos, polímeros conductores, un tipo de plástico), a medida que interactúan con vapores de sustancias volátiles tales como aminas, alcoholes, cetonas y compuestos aromáticos.

La variación de la conductividad eléctrica del conjunto genera una señal eléctrica específica, que se convierte luego en señal digital. Un software de computadora lee dicha señal y en cuestión de segundos identifica qué tipo de sustancia volátil está en contacto con el dispositivo. “Dependiendo de la naturaleza del gas que entra en contacto con el material polimérico de los sensores, la nariz electrónica tiene una respuesta distinta”, explicó Gruber. Un logro en especial hizo posible el desarrollo de estas narices. El investigador y su grupo del IQ-USP sintetizaron y caracterizaron nuevos polímeros conductores derivados de dos tipos específicos de polímeros, los poli-p-fenilenovinilenos (PPV) y los poli-p-xililenos (PPX), para los construir sensores. “Fuimos los primeros que empleamos PPV en sensores de gases”, dijo Gruber. “Las ventajas son el bajo costo de producción y de consumo de energía y la facilidad de variar las características de los dispositivos mediante la introducción de cambios estructurales en las cadenas poliméricas.”

La técnica de construcción de los sensores que emplearon los científicos consiste en depositar un filme de polímero conductor de centenas de nanómetros (la milmillonésima parte de un metro) de espesor sobre una placa del tamaño de un chip de celular, con dos electrodos metálicos interdigitados (entrelazados, pero sin contacto entre ellos), de modo tal de formar un filme que conecta a ambos. Con la exposición a vapores de una sustancia volátil, se altera la resistencia eléctrica del filme. “Cada sensor cuesta un real, y en promedio empleamos entre cuatro y siete sensores en las narices electrónicas”, dice Gruber.

Dispositivos detectan y clasifican distintos tipos de maderas

EDUARDO CÉSARDispositivos detectan y clasifican distintos tipos de maderasEDUARDO CÉSAR

Uno de esos dispositivos se desarrolló con el objetivo de detectar y clasificar distintos tipos de maderas. La idea es que pueda utilizárselo en acciones de inspección y combate contra la extracción ilegal de maderas de especies de árboles amenazadas de extinción en las selvas tropicales brasileñas. Suele ser difícil distinguir maderas cuya explotación está prohibida, como en los casos de la caoba de hoja grande (Swietenia macrophylla) y otras similares como la del cedro americano (Cedrela odorata), cuya explotación sí está permitida. Como ambas especies son similares, termina extrayéndose caoba que se vende por cedro, explica el profesor.

“Al observar los árboles de caoba y de cedro es posible diferenciarlos. Pero una vez talados sólo se logra distinguirlos mediante análisis histológicos [de los tejidos vegetales] que debe hacer un botánico en laboratorio”, dijo. La nariz electrónica facilita el trabajo de identificación de éstos y de otros tipos de madera, tales como la imbuia (Ocotea porosa) y la canela-preta (Ocotea catharinensis). Se necesita tan sólo raspar un fragmento del tronco para que exhale compuestos volátiles que son identificados en menos de un minuto por el conjunto de sensores. “Como el cedro y la caoba son especies distintas y pertenecen a géneros diferentes, la nariz electrónica es capaz de detectarlos con un 100% de eficacia”, dijo el investigador. “En tanto, en el caso de la canela-preta y de la imbuia –maderas de especies diferentes, pero que pertenecen al mismo género–, la dificultad es un poco mayor. De todos modos el índice de eficacia es del 95%.”

En la UPS, la nariz electrónica

Eduardo CésarEn la UPS, protótipo de la nariz electrónicaEduardo César

Cachaça añejada
La nariz electrónica destinada a la identificación de maderas terminó suscitando el interés de investigadores del Laboratorio para el Desarrollo de la Química del Aguardiente (LDQA), del Instituto de Química de São Carlos de la USP, con miras a diferenciar entre cachaças añejadas en toneles de roble o en toneles de maderas menos nobles. Según Gruber, las cachaças añejadas en barricas de roble tienen un sabor y un aroma que los consumidores aprecian más y, por consiguiente, se las vende a precios más altos. Pero sucede que la comercialización de madera de roble importada de Canadá está controlada. Debido a esto, las cachaças añejadas en toneles de madera brasileña, fabricados con guapinol, jacarandá, jequitibá o imbuia, pueden estar comercializándose en el mercado brasileño como si hubiesen sido añejadas en roble, comenta el investigador.

“Hay destilerías que declaran en la etiqueta que la cachaça es producto de añejamiento en guapinol y la venden a un precio más bajo que la añejada en roble”, dijo Gruber. “Pero también pueden existir en el mercado cachaças añejadas en madera nacional con la declaración en la etiqueta que dice añejadas en roble y a precios de hasta 200 reales la botella”. A los efectos de evitar que los consumidores compren “gato por liebre”, los investigadores adaptaron la nariz electrónica del IQ para la realización de análisis de muestras de cachaça. “El dispositivo logra entonces ‘olfatear’ un aguardiente y detectar en qué tipo de madera se añejó la bebida”, afirma Gruber.

Esa nariz electrónica se desarrolló especialmente durante el proyecto de posdoctorado intitulado “Distinción de extractos hidroalcohólicos de maderas y seguimiento de los estadios de añejamiento mediante el empleo de sensores de gases, cromatografía en fase gaseosa (GC-MS) y análisis multivariados”, realizado por el investigador Alexandre Ataide da Silva.

Naranjas contaminados con hongos tienen olor diferente

LÉO RAMOSNaranjas contaminados con hongos tienen olor diferenteLÉO RAMOS

Plásticos y hongos
Los científicos de São Paulo también desarrollaron un dispositivo para la detección de plásticos para reciclado. De acuerdo con Gruber, los diversos tipos de plásticos, tales como el PVC, el polietileno y polipropileno, no pueden mezclarse al destinárselos al reciclado, pues poseen resinas incompatibles entre sí. Una de las técnicas empleadas para identificar y clasificar plásticos, de acuerdo con el investigador, es la aplicación de análisis espectroscópicos en el infrarrojo, en muestras de plástico disueltas en solventes apropiados. Con todo, estos análisis deben realizarlos profesionales capacitados para operar un espectrómetro en la franja del infrarrojo en laboratorio.

En tanto, la nariz electrónica desarrollada detecta qué tipo de plástico es por los gases emanados en la combustión del plástico. Los investigadores construyeron una pequeña cámara de combustión en la cual se pone una muestra de unos 300 miligramos del plástico para su incineración. El dispositivo “olfatea” el humo que se emite en la quema y apunta el tipo de plástico de acuerdo con los compuestos volátiles que se generan en la combustión. “Mientras que el polietileno produce anhídrido carbónico y agua durante la combustión, una poliamida como el nailon, por ejemplo, produce además de anhídrido carbónico y agua, también óxidos de nitrógeno. La nariz electrónica detecta esas diferencias”, explica Gruber.

Los científicos también desarrollaron una nariz electrónica que detecta precozmente la contaminación de naranjas (luego de la cosecha) por el hongo Penicillium digitatum. Esta especie, junto con la Elsinoe australis y la Guignardia citricarpa, ocasiona importantes pérdidas económicas en los países que son grandes productores de cítricos, tal como es el caso de Brasil, dice Gruber. La nariz electrónica logra detectar la contaminación de las naranjas por ese hongo mientras las frutas están en los silos, antes de que sea visible. “El dispositivo detecta la contaminación al segundo día, y en cuestión de segundos identifica la infección de la naranja por el hongo, debido a los metabolitos volátiles que éste emite”, dice Gruber.

De acuerdo con el investigador, algunas de las narices electrónicas desarrolladas por su grupo se encuentran protegidas por patentes. La idea es que empresas interesadas licencien la tecnología para fabricarlas y comercializarlas. “Nuestro objetivo es producir narices electrónicas de bajo costo. Ya existen dispositivos que se venden comercialmente y llegan a costar 20 mil dólares”, dice. Según Gruber, uno de los motivos de tan elevado precio es que poseen entre 20 y 30 sensores y no tienen aplicaciones específicas. “Como nosotros desarrollamos narices electrónicas para aplicaciones más específicas, podemos disminuir la cantidad de sensores presentes en su composición y así abaratamos mucho la producción”, añade.

Proyectos
1. Nuevos polímeros conjugados para células solares y narices electrónicas (nº 2011/ 51249-3); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Jonas Gruber (USP); Inversión R$ 80.782,65 US$ 27.507,50 (FAPESP).
2. Distinción de extractos hidroalcohólicos de maderas y seguimiento de las etapas de añejamiento empleando sensores de gases, cromatografía de fase gaseosa (GC-MS) y análisis multivariado (nº 2012/ 15539-0); Modalidad Beca en el país – Posdoctorado (Alexandre Ataíde da Silva); Investigador responsable Douglas Wagner Franco (USP); Inversión R$ 160.441,00 (FAPESP).

Artículos científicos
ESTEVES, C. H. A. et al. New composite porphyrin-conductive polymer gas sensors for application in electronic noses. Sensors and Actuators B: Chemical. v. 193, p. 136-41. mar. 2014.
GRUBER, J. et al. A conductive polymer based electronic nose for early detection of penicillium digitatum in post-harvest oranges. Materials Science and Engineering: C. v. 33, n. 5, p. 2766–69. jul. 2013.

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