Narices electrónicas en defensa: envejecimiento de pólvoras e identificación de explosivos en aire

Abstract

This dissertation addresses the identification and quantification of chemical vapours using electronic noses (enoses), tackling two significant analytical challenges in the fields of Security and Defence: the stability studies of nitrocellulose-based propellants and the identification of homemade explosives. Enoses are platforms that, using sensor arrays and chemometric methods, can offer high sensitivity and considerable selectivity. This research employs chemoresistive metal oxide (MOx) sensors, developing two enose systems named "Azotic" and "Belerofonte." The "Azotic" system focuses on analysing the stability of nitrocellulose-based propellants, providing a technological upgrade to traditional methods (such as classical tests). In contrast, "Belerofonte" has been designed as a portable enose system capable of rapidly identifying certain homemade explosives without direct contact with the solid. The research begins with a critical study of the current response models for MOx sensors and enoses, highlighting the need to develop customized response models for each specific problem. The subsequent mathematical analysis of the response, tailored to each model, has enabled both the validation of the tests and a critical assessment of the advantages and limitations of the proposed systems. At the conclusion of this manuscript, evidence is presented regarding the contributions of both enoses to the current state of the art in their respective domains. Firstly, "Azotic" is proposed as a viable alternative for replacing current detectors (such as indicator paper) in certain surveillance tests of nitrocellulose-based propellants. Secondly, the "Belerofonte" enose has demonstrated its capability to rapidly and portably identify Triacetone Triperoxide (TATP).

En la presente tesis doctoral se aborda la identificación y cuantificación de vapores químicos mediante el uso de narices electrónicas (enoses), abordando dos desafíos analíticos en el sector de Seguridad y Defensa: el aseguramiento de la estabilidad en pólvoras nitrocelulósicas y la identificación de explosivos caseros. Las narices electrónicas son plataformas analíticas que, mediante el uso de matrices de sensores y métodos quimiométricos, pueden ofrecer alta sensibilidad y notable selectividad. En esta investigación se emplean sensores quimioresistivos de óxidos metálicos (MOx), desarrollando dos enoses denominadas "Azotic" y "Belerofonte". En primer lugar, el sistema "Azotic" se ha desarrollado para apoyar en el análisis de la estabilidad de pólvoras nitrocelulósicas mediante una actualización tecnológica a un método tradicional (i.e., ensayos clásicos). Por otra parte, "Belerofonte" ha sido diseñado como un sistema portátil, capaz de identificar rápidamente algunos explosivos caseros sin necesidad de contacto directo. El presente manuscrito comienza con un estudio crítico de los modelos de respuesta actuales para sensores MOx y enoses, facilitando el desarrollo de modelos de respuesta propios para cada aplicación. Con estos modelos se ha podido obtener una serie de parámetros (features) para realizar una validación del sistema completo. Tras el análisis crítico de las ventajas, y limitaciones, de cada uno de los sistemas, en la parte final del documento, se presentan evidencias de la mejora en el estado actual del arte. Por la parte de pólvoras, "Azotic" se presenta como una alternativa viable para reemplazar los detectores colorimétricos actuales (i.e., papel indicador) en ciertas pruebas de vigilancia sobre pólvoras nitrocelulósicas. Por la parte de los explosivos, la enose "Belerofonte" ofrece capacidad para identificar de manera portátil, y rápida, al triperóxido de triacetona (TATP) sin contacto directo.