La investigación en la Universidad Estatal de Oregon ha acercado la ciencia al desarrollo de una nariz electrónica para monitorear la calidad del aire, detectar amenazas a la seguridad y diagnosticar enfermedades midiendo los gases en la respiración de un paciente.

Investigación publicada recientemente dirigida por Cory Simon, profesor asistente de ingeniería química en la Facultad de Ingeniería de OSU, en colaboración con el profesor de ingeniería química Chih-Hung Chang se centró en materiales conocidos como estructuras metalorgánicas, o MOF.

La investigación apuntó a un obstáculo crítico, aunque poco estudiado, en el uso de MOF como sensores de gas:de los miles de millones de MOF posibles, ¿Cómo se determinan los correctos para construir la nariz electrónica óptima?

Los MOF tienen poros de tamaño nanométrico y adsorben gases de forma selectiva, similar a una esponja. Son ideales para su uso en matrices de sensores debido a su capacidad de sintonización, lo que permite a los ingenieros utilizar un conjunto diverso de materiales que permite que una serie de sensores basados ​​en MOF proporcionen información detallada.

Dependiendo de los componentes que componen un gas, diferentes cantidades de gas se adsorberán en cada MOF. Eso significa que la composición de un gas se puede inferir midiendo el gas adsorbido en la matriz de MOF utilizando balanzas a microescala.

El desafío es que todos los MOF adsorben todos los gases, no en la misma medida, Sin embargo, la ausencia de una selectividad perfecta impide que un ingeniero simplemente diga:"dediquemos este MOF al dióxido de carbono, ese al dióxido de azufre, y otro al dióxido de nitrógeno ".

"Curar MOF para matrices de sensores de gas no es tan simple porque cada MOF en la matriz adsorberá apreciablemente los tres gases, " Simon dijo.

Las narices humanas afrontan este mismo problema confiando en unos 400 tipos diferentes de receptores olfativos. Al igual que los MOF, cada receptor olfativo es activado por muchos olores diferentes, y cada olor activa muchos receptores diferentes; el cerebro analiza el patrón de respuesta, permitiendo a las personas distinguir una multitud de olores diferentes.

"En nuestra investigación, Creamos un marco matemático que nos permite, basado en las propiedades de adsorción de MOF, para decidir qué combinación de MOF es óptima para una matriz de sensores de gas, "Dijo Simon." Inevitablemente habrá algunos pequeños errores en las mediciones de la masa de gas adsorbido, y esos errores corromperán la predicción de la composición del gas basada en la respuesta de la matriz de sensores. Nuestro modelo evalúa qué tan bien una combinación determinada de MOF evitará que esos pequeños errores corrompan la estimación de la composición del gas ".

Aunque la investigación fue principalmente modelado matemático, los científicos utilizaron datos experimentales de adsorción en MOF reales como entrada, Simon dijo, y agregó que Chang es un experimentalista "con quien estamos trabajando para hacer una nariz electrónica de la vida real para detectar contaminantes del aire".

"Actualmente estamos buscando financiación externa para llevar este concepto novedoso a la realización física, "Dijo Simon." Debido a este documento, ahora tenemos un método racional para diseñar computacionalmente la matriz sensorial, que abarca la simulación de la adsorción de gas en los MOF con modelos moleculares y simulaciones para predecir sus propiedades de adsorción, luego, utilizando nuestro método matemático para seleccionar las diversas combinaciones de MOF para obtener la matriz de sensores más precisa ".

Lo que significa que en lugar de un enfoque experimental de prueba y error para decidir qué MOF usar en una matriz de sensores, Los ingenieros pueden utilizar el poder computacional para seleccionar la mejor colección de MOF para una nariz electrónica.

Otra aplicación interesante de esta nariz podría ser el diagnóstico de enfermedades. Los compuestos orgánicos volátiles que emiten los humanos, como a través de nuestra respiración, están llenos de biomarcadores para múltiples enfermedades, y los estudios han demostrado que los perros, que tienen el doble de receptores olfativos diferentes que los humanos, pueden detectar enfermedades con la nariz.

Por maravillosos que sean, sin embargo, las narices de los perros no son tan prácticas para un uso diagnóstico generalizado como lo sería una matriz de sensores cuidadosamente elaborada y fabricada.

Los resultados de la investigación de MOF computacional se publicaron en Interfaces y materiales aplicados ACS .