Fabricación y puesta a punto de una Nariz Electrónica Húmeda para la detección de gases y vapores

Abstract

I begin this PhD thesis with an introductory chapter about electronic nose systems, where I describe the sensor system types, electronic nose types and the chemometric and measurement techniques employed in the development of the thesis. Next, I define the general and specific objectives of the thesis. In the following chapters I discuss the different aspects of the measuring device and the journal articles that served as motivation for its design. The first article is based on the proof of concept of the humid electronic nose prototype, whose design relies on the performance of voltammetric measurements. An array of four metallic working electrodes (iridium, rhodium, platinum and gold), housed inside a stainless steel cylinder that acts as counter electrode, and a reference electrode were all put in contact by a nylon mesh dampened with a sodium chloride aqueous solution. This system is used to differentiate between seven different samples by means of two statistical techniques: principal component analysis (PCA) and a type of neural network called self-organizing map (SOM). The results obtained were satisfactory, thus motivating how I approached the study performed in the following chapter. The second article contemplates a more complete study for a very specific application of the humid electronic nose system: the detection of nerve agent mimics. In this study, eight metals formed the array of working electrodes (iridium, rhodium, platinum, gold, silver, cobalt, copper and nickel) and the nylon mesh was dampened with sodium tetraborate. In order to enhance the results of the study, we designed two specific pulse patterns by analyzing the voltammograms (for the electrochemical characterization of the samples) of the eight electrodes on a diethyl cyanophosphate (DCNP) sample. We measured three nerve agent mimics and eight organophosphorous derivatives, in addition to sulphuric acid, ammonia, ethanol, acetonitrile and hexane. The PCA demonstrated that the proposed system was capable of distinguishing nerve agent mimics from the other organophosphorous derivatives. We also performed a partial least squares regression (PLS), which allowed DCNP to be quantified with a limit of detection of a few ppm. The third article is an in depth study about the reproducibility problems that usually arise in voltammetric measurements with the use of electronic tongues (and the electronic nose designed in this PhD thesis). The objective was to improve the reproducibility of the measurements performed with these systems by designing an electrochemical cell that warranted a homogenous distribution of the electric field and improved its limit of detection. Finally, an electronic measuring system was designed and is presented in chapter 4; it integrates voltammetry and potentiometry techniques. This system is composed of a PC application and an electronic measuring system, which can be used to test both measuring techniques on up to eight working electrodes. The PC application was designed to execute sequences of voltammetry and potentiometry tests, and to store and display the measured signals by means of a simple graphical user interface. The voltammetry measurements are based on the potentiostat measuring circuit, which allows 2 and 3 electrode measurements to be taken. To finish, I explain the conclusions drawn from both the general and specific objectives considered at the beginning of this thesis.

La tesis comienza con un capítulo introductorio a los sistemas de nariz electrónica, donde se describen los tipos de sistemas sensores, los tipos de nariz electrónica y las técnicas quimiométricas y de medida usadas en el desarrollo de la tesis. A continuación, se describen los objetivos generales y específicos planteados. El diseño del equipo de medida se ha realizado teniendo en cuenta las conclusiones de las publicaciones en revistas de investigación que forman parte de esta tesis doctoral, las cuales se presentan en los tres capítulos siguientes. El primer artículo está fundamentado en la prueba de concepto del prototipo de nariz electrónica húmeda, en el que se presenta un diseño basado en ensayos voltamétricos. Para ello se utiliza un conjunto de cuatro electrodos de trabajo metálicos (iridio, rodio, platino y oro) encapsulados dentro de un cilindro de acero inoxidable, que actúa como contraelectrodo, y un electrodo de referencia con puente salino, todos ellos en contacto gracias a una membrana de nylon empapada en una solución acuosa de cloruro de sodio. Este sistema se usa para discriminar siete muestras distintas utilizando las técnicas de análisis de componentes principales (PCA) y un tipo de red neuronal, llamada mapa auto-organizado (SOM). Los resultados obtenidos son satisfactorios, por ello han motivado el planteamiento del estudio realizado en el siguiente capítulo. El segundo artículo plantea un estudio más completo para una aplicación muy específica del sistema de nariz electrónica húmeda: la detección de simulantes de agentes nerviosos. En este estudio el conjunto de electrodos de trabajo está formado por ocho electrodos de trabajo metálicos (iridio, rodio, platino, oro, plata, cobalto, cobre y níquel, la membrana de nylon está empapada esta vez en tetraborato de sodio. Para mejorar los resultados de este estudio se diseñan dos trenes de pulsos específicos mediante el análisis de los voltagramas (para la caracterización electroquímica de las muestras.) de los ocho electrodos sobre una muestra de dietil cianofosfato (DCNP). Las medidas se realizan sobre tres simulantes de agentes nerviosos y ocho derivados organofosforados, además de ácido sulfúrico, amonio, etanol, acetonitrilo y hexano. El PCA demuestra que el sistema propuesto es capaz de discriminar los principales simulantes de agentes nerviosos de los otros derivados organofosforados y otros interferentes potenciales. También se ha realizado una regresión por mínimos cuadrados parciales (PLS) que permite la cuantificación de DCNP hasta unos pocos ppm. El tercer artículo es un estudio en profundidad de los problemas de reproducibilidad que habitualmente se dan en las medidas voltamétricas con el uso de lenguas electrónicas (y la nariz electrónica objeto de esta tesis). El objetivo es mejorar la reproducibilidad de las medidas con estos sistemas a través de un diseño de la celda electroquímica que asegure una distribución homogénea del campo eléctrico, y para mejorar su límite de detección. Por último, en el capítulo número 4 se ha diseñado un sistema electrónico de medida que integra las técnicas de voltametría y potenciometría. Los elementos que integran este sistema son una aplicación de PC y un equipo electrónico de medida con el que se pueden realizar ensayos con las técnicas de medida mencionadas sobre hasta ocho electrodos de trabajo. La aplicación de PC está diseñada para la ejecución de secuencias de ensayos de potenciometría y voltametría, y para el almacenamiento y representación de las señales muestreadas mediante una interfaz gráfica de usuario simple. Las medidas de voltametría están basadas en el circuito de medida potenciostato, que permite implementar ensayos a 2 y 3 electrodos. Para finalizar, se exponen las conclusiones a los objetivos generales y específicos planteados al inicio de la tesis.

La tesi comença amb un capítol introductori als sistemes de nas electrònic, on es descriuen els tipus de sistemes sensors, els tipus de nas electrònic i les tècniques quimiomètriques i de mesura utilitzades en el desenvolupament de esta tesi. A continuació, es descriuen els objectius generals y específics plantejats. El disseny de l'equip de mesura s'ha inspirat en les conclusions tretes de les publicacions en revistes d'investigació presentades en els tres capítols següents. El primer article està fonamentat en la prova de concepte del prototip de nas electrònic humit, en el que es presenta un disseny basat en assajos voltamètrics. Per a açò s'utilitza un conjunt de quatre elèctrodes de treball metàl·lics (Iridi, Rodi, Platí i Or) encapsulats en un cilindre d'acer inoxidable, que actua com a contraelectrode, i un elèctrode de referència amb pont salí, tots ells en contacte gràcies a una membrana de niló amerada amb una solució de clorur de sodi. Este sistema s'usa per a discriminar 7 mostres distintes utilitzant les tècniques d'anàlisi de components principals (PCA) i un tipus de xarxa neuronal, anomenada mapa auto-organitzat (SOM). Els resultats obtinguts son satisfactoris, fet que ha motivat el plantejament de l'estudi realitzat en el següent capítol. El segon article planteja un estudi més complet per a una aplicació molt específica del sistema de nas electrònic humit: la detecció de simulants d'agents nerviosos. En este estudi el conjunt d'elèctrodes està format per huit elèctrodes de treball metàl·lics (Iridi, Rodi, Platí, Or, Plata, Cobalt, Coure i Níquel), la membrana de niló està amerada esta vegada amb tetraborat de sodi. Per tal de millorar els resultats d'este estudi es dissenyen dos trens de polsos específics mitjançant l'anàlisi del voltagrames (per a la caracterització electroquímica de les mostres) dels huit elèctrodes sobre una mostra de dietil cioanofosfat (DCNP). Les mesures es realitzen sobre tres simultans d'agents nerviosos i huit derivats organofosforats, a més d'àcid sulfúric, amoni, etanol, acetonitril i hexà. El PCA demostra que el sistema proposat es capaç de discriminar els principals simulants d'agents nerviosos dels altres derivats organofosforats i altres interferents potencials. També s'ha realitzat una regressió per mínims quadrats parcials (PLS) que permet la quantificació de DCNP fins a unes poques ppm. El tercer article és un estudi en profunditat dels problemes de reproductibilitat que habitualment es donen en les mesures voltamètriques amb l'ús de llengües electròniques (y el nas electrònic objecte d'esta tesi). L'objectiu es millorar la reproductibilitat de les mesures amb estos sistemes mitjançant un disseny de la cel·la electroquímica que assegure una distribució homogènia del camp elèctric, i per a millorar el seu límit de detecció. Per últim, en el capítol número 4 s'ha utilitzat un sistema electrònic de mesura que integra les tècniques de voltametria i potenciometria. Els elements que integren este sistema son una aplicació de PC i un equip electrònic de mesura amb el que es poden realitzar assajos amb les tècniques de mesura mencionades sobre fins a huit elèctrodes de treball. La aplicació de PC està dissenyada per a l'execució de seqüències d'assajos de potenciometria i voltametria, i per a l'emmagatzematge de les senyals mesurades mitjançant un entorn d'usuari simple. Les mesures de voltametria estan basades en el circuit de mesura potenciostato, que permet implementar assajos a 2 i 3 elèctrodes. Per concloure, s'exposen les conclusions als objectius generals i específics plantejats al inici de la tesi.