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Crystalsense – electronic nose using novel gas sensing materials
07 Julho 2021

CrystalSense – Nariz eletrónico que usa novos materiais sensoriais gasosos [NI-TECH-2020-07]

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Uma nova solução sensitiva para um nariz eletrónico de inspiração biológica, capaz de “cheirar” misturas de compostos orgânicos voláteis.

Contexto

Sensores gasosos são usados para medir concentrações de vários gases à sua volta. Estes dispositivos são muito usados em diferentes setores, particularmente em indústrias onde se tem de monitorizar e prevenir fugas de vários gases tóxicos e combustíveis, como as indústrias petroquímica e automóvel. Espera-se um crescimento no mercado global de sensores gasosos de USD 812,3 milhões em 2016 para USD 1.297,6 milhões em 2023, a um CAGR de 6,83% entre 2017 e 2023 (marketsandmarkets.com, agosto 2017, SE 4323). Este crescimento deve-se principalmente ao aumento da consciencialização para a segurança entre os consumidores finais assim como regulamentações, impostas pelo Estado e entidades reguladoras, mais restritas, particularmente na América do Norte e na Europa. Os sensores gasosos incluem dispositivos com sensores de gases fixos assim como portáteis, não invasivos e wireless, o que representa uma ótima oportunidade para crescimento.

Visão tecnológica

  1. Materiais com propriedades de gel capazes de detetar gases, devolvendo sinais óticos e/ou elétricos na presença de compostos orgânicos voláteis (VOCs);
  2. Um método de utilização de materiais com propriedades de gel como sensores de gases em narizes eletrónicos (e-noses), incluindo o desenho e a produção dos dispositivos de aquisição de sinais óticos e/ou elétricos, incluindo também o desenvolvimento de algoritmos de processamento de sinais específicos e de machine-learning.
Figura 1: Géis de deteção de gases e respetivos sinais óticos. (a) Representação esquemática da organização supramolecular dentro dos géis. (b) Aspeto macroscópico de uma película de gel (c) distribuição em lâminas de vidro não tratado para deteção elétrica e ótica. (d) Padrão de respostas óticas de um conjunto de 3 géis distintos sujeitos a ciclos de 5s de exposição a ar saturado com um VOC (metanol, tolueno ou éter dietílico) alternados com uma exposição de 15s de ar ambiente. Os géis respondem muito rapidamente, dentro de 1s após a exposição a VOCs.
Figura 1: Géis de deteção de gases e respetivos sinais óticos. (a) Representação esquemática da organização supramolecular dentro dos géis. (b) Aspeto macroscópico de uma película de gel (c) distribuição em lâminas de vidro não tratado para deteção elétrica e ótica. (d) Padrão de respostas óticas de um conjunto de 3 géis distintos sujeitos a ciclos de 5s de exposição a ar saturado com um VOC (metanol, tolueno ou éter dietílico) alternados com uma exposição de 15s de ar ambiente. Os géis respondem muito rapidamente, dentro de 1s após a exposição a VOCs.

O CrystalSense oferece soluções para identificação de amostras de gases com base em princípios olfativos. Podem ser vistos exemplos de aplicação na Figura 2.

Figura 2: Exemplos de aplicação dos géis CrystalSense como sensores óticos e ótico-elétricos de gases. (a) Clustering de VOCs pela análise das componentes principais das amplitudes relativas dos sinais óticos de 3 sensores diferentes. (b) Identificação da deterioração dos peixes devido à mudança nas amplitudes relativas dos sinais dos sensores óticos e do aumento da contagem bacteriana (CFU/g). (c) Resposta elétrica e ótica dos sensores em função da quantidade de etanol nas misturas combustíveis. (d) Matriz de erros que representa o desempenho da classificação dos VOCs usando um algoritmo Máquinas de Suporte Vetorial com 12 características do sinal ótico de um único sensor.
Figura 2: Exemplos de aplicação dos géis CrystalSense como sensores óticos e ótico-elétricos de gases. (a) Clustering de VOCs pela análise das componentes principais das amplitudes relativas dos sinais óticos de 3 sensores diferentes. (b) Identificação da deterioração dos peixes devido à mudança nas amplitudes relativas dos sinais dos sensores óticos e do aumento da contagem bacteriana (CFU/g). (c) Resposta elétrica e ótica dos sensores em função da quantidade de etanol nas misturas combustíveis. (d) Matriz de erros que representa o desempenho da classificação dos VOCs usando um algoritmo Máquinas de Suporte Vetorial com 12 características do sinal ótico de um único sensor.

CrystalSense: Soluções personalizáveis para diferentes aplicações:

  • É possível criar coleções de géis com diferentes propriedades químicas e desenhar géis com afinidades químicas otimizadas para VOCs específicos;
  • A combinação de sinais gerados pelos géis com diferentes formulações cria padrões que funcionam como impressões digitais para diferentes odores.

Mais informação

Estágio de desenvolvimento

TRL 4/5 – Prova de conceito.

Benefícios

  • Materiais sensoriais – composição e produção barata e amiga do ambiente;
  • Tecnologia e-nose – identificação de impressões digitais de misturas simples e complexa de gases;
  • Personalizável – seletividade e sensitividade ajustável para cada aplicação;
  • Tempo Real – Respostas óticas e elétricas rápidas aos VOCs;
  • Tecnologia da plataforma – Construção personalizada para as aplicações desejadas.

Aplicações

Esta tecnologia é útil para situações em que seja necessária informação sobre as espécies presentes numa amostra, particularmente para amostras na forma de vapor ou gás. Exemplos incluem (mas não se limitam a):

  1. Indústria de produção (principalmente no controlo de qualidade e deteção de agentes perigosos), de processamento alimentar, de químicos, refinarias e instalações petroquímicas, indústria farmacêutica e bio farmacêutica, empresas biotecnológicas e indústria da madeira, entre outras. Os sensores de gases comum para aplicações industriais incluem sensores de dióxido de carbono, de oxigénio, de hidrogénio e outros;
  2. Segurança – pontos de entrada (como aeroportos); segurança militar e nacional;
  3. Ambiente – Deteção de poluentes, controlo de infraestruturas de tratamento de resíduos e reservatórios de tratamento de água assim como rios e lagos;
  4. Dispositivos terapêuticos e de diagnósticos médicos não invasivos para utilização em contextos clínicos ou cuidados domiciliários;
  5. Investigação científica – Sensores em I&D úteis para distinção de materiais, para estudos botânicos e ecológicos, assim como para métodos analíticos em (bio)processamento;
  6. Automóvel – sensores de gases usados em automóveis. Os sensores de gases comuns que se usam em automóveis incluem sensores de oxigénio e metano;
  7. Automatização de edifícios – sensores de gases com aplicações de automatização de edifícios residenciais e comerciais;
  8. Avaliação de qualidade alimentar e avaliação sensorial;
  9. Têxteis inteligentes;
  10. Bem-estar – monitorização de cheiros corporais humanos (agradável/desagradável);
  11. Controlo de produtos em indústrias farmacêuticas.

Oportunidades

  • Procuram-se parceiros para codesenvolvimento da tecnologia;
  • Disponível para licenciamento exclusivo e não-exclusivo.

Propriedade Intelectual

NOVA Inventors

Ana Cecília Roque

Abid Hussain

Academic Information | NOVA School of Science and Technology | FCT NOVA