Judith Su de ingeniería biomédica y ciencias ópticas e ingeniería recibió un premio CARRERA 2023 de la Fundación Nacional de Ciencias.
universidad de arizona
Nota del editor: Si se encuentra en una misión a largo plazo o en un equipo externo en otro mundo, es posible que desee que su tricorder pueda realizar algunos análisis rápidos de sustancias químicas en el aire y el medio ambiente: para la salud de la tripulación, caracterizar la función del sistema de soporte vital y / o realizar encuestas de recolección de muestras durante las salidas a la superficie durante las misiones del Equipo Visitante.
__________________
La nariz humana, que tiene alrededor de 6 millones de receptores olfativos, puede distinguir entre al menos 1 billón de olores diferentes. Los perros tienen alrededor de 300 millones de estos receptores, y algunos científicos estiman que su sentido del olfato es hasta 100 000 veces más potente que el de los humanos. Esto permite que los perros detecten el olor de materiales peligrosos como bombas y sustancias ilícitas, así como condiciones médicas como el COVID-19 y la enfermedad de Parkinson.
La profesora asistente de la Universidad de Arizona, Judith Su, está desarrollando una nariz óptica «tan sensible como la de un sabueso y tan selectiva como la de un insecto» para detectar compuestos orgánicos volátiles (COV), compuestos con alta presión de vapor a temperatura ambiente que emiten olores. La nariz óptica podría usarse para detectar cualquier cosa que pueda detectar una nariz canina, sin el riesgo de poner a los perros reales en situaciones potencialmente peligrosas.
«Sería realmente impactante hacer que un perro artificial sintiera cosas de una manera no invasiva, solo a través de la respiración y los vapores de nuestra piel», dijo Su, profesora de ingeniería biomédica, ciencias ópticas y el Instituto BIO5.
El trabajo está financiado por un Premio CARRERA de la Fundación Nacional de Ciencias de $ 500,000, el premio más prestigioso de la organización en apoyo de la facultad de carrera temprana.
Las narices electrónicas, o narices electrónicas, existen desde hace varias décadas, pero incluso las más avanzadas son bastante limitadas, con la capacidad de detectar solo unas pocas docenas de olores al detectar cómo interactúan los aromas con un revestimiento de polímero sintético. También son inestables y lentos. Su y sus colaboradores están creando una alternativa mucho más capaz al combinar receptores olfativos hipersensibles con una poderosa plataforma de detección óptica desarrollada en el Little Sensor Lab de Su.
Los receptores olfativos son receptores químicos en las membranas celulares. Cuando son activados por compuestos olorosos, envían impulsos nerviosos al cerebro, lo que resulta en la experiencia del olfato.
«Sus receptores olfativos se han refinado durante miles de años de evolución con el fin de detectar estos olores», dijo Su. “La gente realmente no ha podido usarlos en combinación con sensores antes porque es un desafío producirlos y mantenerlos en funcionamiento. Cuando están presentes en tu cuerpo, ese es el entorno en el que son felices. Una vez que están fuera del cuerpo, ¿cómo se mantiene eso en forma funcional?”
Su está trabajando con colaboradores del Instituto de Tecnología de California y la Universidad del Sur de Florida que pueden fabricar receptores olfativos mutados con mayor sensibilidad a olores específicos. Estos se combinarán con el resonador evanescente susurrante óptico de frecuencia bloqueada de Su, o FLOR.
FLOWER es una plataforma de detección óptica que puede detectar niveles ultrapequeños de moléculas; en el pasado, detectaba moléculas como partículas de enfermedades y productos químicos industriales tóxicos. La tecnología funciona mediante el envío de ondas de luz alrededor de un pequeño anillo (del tamaño de un grano de sal de mesa) unas 6.000 veces por nanosegundo.
Si FLOWER está configurado para detectar una sustancia química tóxica en una muestra de agua y la sustancia química está presente, la sustancia química alterará la onda de luz muy levemente cada vez que haga el bucle. Debido a que el bucle se realiza tantas veces tan rápidamente, este ligero efecto se magnifica lo suficiente como para volverse detectable. FLOWER se puede adaptar para detectar diferentes tipos de moléculas. En este caso, trabajará en conjunto con receptores olfativos especializados para detectar COV.
«Esto simplemente está cambiando lo que estamos poniendo en esa superficie por la selectividad», dijo Su. «En este caso, un receptor humano utilizado para el olfato».
Olfateando soluciones
La detección de olores es un territorio nuevo para FLOWER. Un desafío es que los COV generalmente existen en estado gaseoso, en lugar de líquido. En el camino, el equipo puede experimentar con formas de imitar cómo los humanos y los caninos experimentan el olor, como recubrir los sensores con una membrana similar a una mucosa o usar un flujo de aire que imite la acción de olfatear. En última instancia, Su prevé usar cientos de receptores de olor, reflejando la forma en que funcionan las narices de los mamíferos.
«Idealmente, algún día tendremos una serie de sensores, cada uno con un receptor olfativo diferente», dijo Su. “Sería capaz de distinguir billones de olores, como lo haría un humano. O, eventualmente, podemos ir más grandes y obtener algo tan sensible como un sabueso”.
Su y su equipo primero probarán su configuración utilizando compuestos aromáticos comunes como el benceno, que es uno de los compuestos responsables del olor de la gasolina, y el tolueno, el olor del diluyente de pintura. A partir de ahí, planean introducir aromas más complejos. Eventualmente, imaginan usar el aprendizaje automático para enseñarle al sistema cómo reconocer combinaciones cada vez más matizadas.
El trabajo de Su también incluye un componente educativo. Ella y su equipo crearán un kit de refractómetro para que los estudiantes de K-12 de todo el mundo realicen estudios de campo sobre la calidad del agua y los alimentos. Además, crearán recursos de aprendizaje interactivos que los maestros de secundaria pueden usar en sus clases.
