Electronic Tongues for food and security applications

Abstract

En la present tesi doctoral s’aprofundeix en l’estudi de les llengües electròniques i el seu desenvolupament com a línia d’investigació del grup de Sensors i Biosensors de la Universitat Autònoma de Barcelona. Aquesta línea d’investigació posa el focus en l’aplicació dels coneixements del grup d’investigació en desenvolupament de sensors electroquímics per a desenvolupar matrius de sensors per al seu ús en aplicacions del tipus Llengua Electrònica en diferents camps. La llengua electrònica es considera un nou paradigma en el món dels sensors ja que millora el resultats analítics mitjançant el tractament amb eines quimio mètriques. Les dades electroquímiques van ser obtingudes mitjançant la tècnica de voltamperometria en les diferents variants: cíclica i diferencial de polsos. El tractament estadístic es va utilitzar per a extreure i seleccionar la informació química rellevant de les dades originals; els mètodes utilitzats van ser l’Anàlisi de Components Principals i l’Anàlisi Discriminant Lineal per estudis qualitatius i la Regressió de Mínims Quadrats Parcials i les Xarxes Neuronals Artificials per estudis quantitatius. Les aplicacions descrites en el present manuscrit estan classificades en tres camps diferenciats: seguretat, seguiment mediambiental i sector del vi. En el primer camp, la seguretat, les Llengües Electròniques conjuntament amb les eines quimio mètriques s’han utilitzat per a la quantificació de components com: TNT, Tetryl, HMX, RDX, PETN i TATP. A l’apartat quantitatiu es determinaren mescles ternàries de TNT, Tetryl y TATP. Les Llengües Electròniques desenvolupades en el camp mediambiental es divideixen en dos camps. La primera va ser desenvolupada per a la detecció de metalls pesants en aigua on es van desenvolupar dues aplicacions per detectar simultàniament cadmi, plom i coure o cadmi, plom i mercuri. La segona aplicació és la quantificació de mescles ternàries de contaminants persistents tals com: cresol, m-cresol i guaiacol en mostres d’aigua residual. En el camp alimentari es presenten dos treballs: la detecció de defectes tipus Brett en vi, causats per la presència de fenols volàtils i la classificació i predicció de la denominació d’origen i la nota de tast de vins negres i blancs de Catalunya.

This thesis memory is focused on the continuation of the electronic tongue line of investigation in the Sensors and Biosensors Group in the Department of Chemistry of Universistat Autònoma de Barcelona. This line has been heavily focused on the application of the group know-how in electrochemical sensor development to design several sensors arrays to be applied following electronic tongue principles in different analytical scenarios. The electronic tongue principles are the new paradigm in the sensor field, where a large number of sensors with low selectivity are used in conjunction with chemometric data processing tools. The electrochemical data was acquired using voltammetry in its different variants: cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry. Statistical treatment was performed to extract and select the relevant chemical information from the data samples; the main methods employed were Principal Component analysis and Lineal Determinant Analysis for qualitative studies and Partial Least Squares and Artificial Neural Networks for quantitative studies. The applications described in this thesis memory are comprised in 3 different fields: homeland security, environmental monitoring and beverage field. In the field of homeland security an Electronic Tongue system coupled with chemometric tools was used to identify and quantify the explosive compounds such as: TNT, Tetryl, HMX, RDX, PETN and TATP. Also a quantification study with ternary mixtures of TNT, Tetryl and TATP was performed. The Electronic Tongues developed in the field of environmental monitoring have 2 disctinct branches. The first one is the detection of heavy metals in water, in this case two applications where developed to simultaneously detect cadmium, lead and copper or cadmium, lead and mercury. The second application is the quantification of ternary mixtures of persistent phenolic pollutants such as: cresol, m-cresol and guaiacol in wastewaters In the beverage field the works presented focus in the detection of the Brett defect in wines, caused by the presence of certain volatile phenols, and the classification and prediction of designation of origin and sensory panel scores in red and white wines.