Desarrollo de sistemas de medida basados en sensores químicos de tipo óptico

Resumen

En los últimos años ha existido un gran interés en el diseño y desarrollo de instrumentación portátil para el análisis de muestras en diferentes ámbitos tales como las ciencias de la salud, la industria química, ciencias medioambientales, seguridad, etc. La combinación de esta instrumentación con sensores desechables o de un solo uso ofrece una alternativa a los equipos actuales de análisis por su bajo coste, su rápida respuesta y la facilidad de uso que ofrecen respecto a equipos comerciales presentes en laboratorios. Además, permite trasladar el laboratorio a la muestra, y no al contrario, con las ventajas que eso supone. En concreto, los sensores químicos de tipo óptico, de especial interés en esta Tesis Doctoral, basan su funcionamiento en la medida de las propiedades de la radiación electromagnética del espectro visible que son modificadas según las condiciones del entorno a las que son sometidos. Este tipo de sensores hace posible la obtención de información en tiempo real e in situ con un sencillo proceso de reconocimiento y procesamiento de la información. Entre las ventajas que ofrecen frente a otro tipo de sensores se encuentran el evitar interferencias electrónicas, permitir varios tipos de codificación sobre la información que aportan, poder operar en un amplio rango de condiciones ambientales y la posibilidad de ser miniaturizados reduciendo también el tamaño del instrumento. La combinación de este tipo de sensores con prototipos portátiles facilita el análisis de las muestras más allá del ámbito del laboratorio y de la instrumentación utilizada hasta hoy. De esta forma, el objetivo de esta Tesis es el desarrollo de instrumentación portátil basada en la medida de sensores químicos de tipo óptico. El principio básico de funcionamiento de los prototipos desarrollados en esta Tesis Doctoral consiste en la medida de los cambios de color o de la intensidad de emisión de la luminiscencia de los sensores químicos con el fin de relacionarlos con diferentes magnitudes de interés. Así, durante el transcurso de esta investigación se han desarrollado diferentes prototipos utilizando para ello diferentes detectores ópticos y sensores de imagen. Se han diseñado dos prototipos utilizando detectores digitales de color para la medida de pH en disolución y para la medida de oxígeno ambiental. En el primer caso, se utiliza una matriz de detectores digitales de color para obtener la coordenada H de cada una de las membranas que componen la matriz de sensores de pH utilizando como iluminante una pantalla OLED. En un segundo prototipo, se integra un detector digital de color en el diseño de una tarjeta RFID impresa sobre sustrato flexible. Con este detector se obtiene la coordenada R del espacio de color RGB en función del oxígeno gaseoso para cuantificar la intensidad de luminiscencia emitida por una membrana cuando es excitada ópticamente con un LED ultravioleta. También se han desarrollado otros dos instrumentos portátiles utilizando un módulo que incluye una micro-cámara CMOS para la detección de color e intensidad de luminiscencia mediante procesamiento de imágenes. En estos casos se relacionan las coordenadas cromáticas obtenidas con la concentración de oxígeno, en un primer prototipo, y con la concentración de metales pesados en disolución en un segundo equipo. En todos estos equipos portátiles los principales requisitos son bajo coste, tamaño reducido, autonomía, robustez, bajo consumo y fácil manejo. Además, el procesamiento es llevado a cabo por un microcontrolador, incluido en el diseño del prototipo, que relaciona los parámetros cromáticos de interés con la magnitud correspondiente evitando la necesidad de elementos externos para obtener la información. Por último, se han utilizado sensores de imagen comerciales, tales como cámaras digitales CCD o cámaras CMOS integradas en teléfonos móviles de última generación, para el análisis colorimétrico del color o de la intensidad de luminiscencia emitida a partir de imágenes capturadas y posteriormente procesadas. Con este fin, se han desarrollado tres aplicaciones diferentes para el sistema operativo Android que permiten alcanzar diferentes objetivos. Así, en una primera aplicación se realiza el análisis de muestras de suelos bajo condiciones controladas de iluminación para llevar a cabo una clasificación de suelos de acuerdo con el sistema Munsell. También se han desarrollado dos aplicaciones más testadas en diferentes teléfonos móviles en combinación con sensores químicos ópticos. En concreto, se han diseñado para la determinación de la concentración de oxígeno gaseoso a partir de una membrana luminiscente excitada ópticamente, así como para la medida de pH y de concentración de nitritos en disolución. En este último caso se ha utilizado como sensor un dispositivo microfluídico fabricado utilizando simplemente papel de filtro, un sello y tinta indeleble. Finalmente, se ha llevado a cabo el análisis de la estabilidad de salsas emulsionadas, en concreto mayonesas, utilizando para ello procesamiento de imágenes con el fin de extraer diferentes coordenadas cromáticas de interés a partir de una fotografía capturada con una cámara digital. En esta Tesis Doctoral todos los experimentos han sido llevados a cabo bajo condiciones controladas de iluminación con el fin de evitar la influencia de las variaciones de luz externa en el proceso de medida de cada prototipo. Con esta Tesis Doctoral, se demuestra por tanto que se pueden utilizar diferentes sensores ópticos y de imagen para la medida tanto de color como de intensidad de luminiscencia para ser relacionada con diferentes magnitudes de interés. En la mayoría de los casos se ha comparado el comportamiento de los prototipos y aplicaciones desarrolladas con la respuesta obtenida por equipos comerciales implantados en laboratorios, tales como escáneres, espectrofotómetros, espectrorradiómetros y pH-metros.