Desenvolvimento de um sensor de oxigénio dissolvido para meio aquático

Abstract

Apesar do planeta Terra ser conhecido como planeta azul, em virtude das enormes massas de água que sustenta (cerca de 70%), apenas 3% deste volume é água doce e desta pequena parcela somente 0,06% está disponível para consumo humano. Dessa forma, ao longo da última década, os avanços científicos têm vindo a acentuar a elevada relevância de conservação, proteção e monitorização das massas de água disponíveis de forma a viabilizar a vida na Terra de uma forma sustentável. No entanto, os meios aquáticos não são estáticos e imutáveis, as suas características biológicas, químicas e físicas alteram-se não só pela ação antrópica (descargas, poluição atmosférica, agricultura, desflorestamento) mas também pelo curso natural das condições que influenciam o ciclo da água (erosão, solubilidade de minerais e químicos naturalmente presentes nas formações rochosas). Nos últimos anos tem-se tornado evidente uma crescente procura por meios eficientes e autónomos de monitorização de qualidade da água, nomeadamente, plataformas de gestão de recursos hídricos rigorosas e precisas que permitam avaliar as diversas propriedades de um determinado volume de água de forma a criar bases estatísticas e meios de prevenção com o objetivo de corrigir eventuais anomalias. Todavia, os desafios políticos, económicos e sociais constituem ainda um obstáculo aos avanços tecnológicos. Esta é uma área que envolve diversas adversidades eletrónicas, tais como desenvolvimento de sistemas real time, com baixo consumo elétrico, exigência de elevada precisão e exatidão, mas também dificuldades relacionadas com biofouling, interveniência de espécies químicas nas medições, entre outras. Em suma é uma temática que desafia a área da engenharia eletrónica e informática, química, biologia e física (hidráulica). O oxigénio dissolvido (OD) é um dos principais parâmetros de análise de qualidade de água, o seu estudo permite deduzir a taxa fotossintética aquática, a taxa de stress animal em tanques de aquacultura, processos aeróbicos e anaeróbicos, taxas DBO (demanda bioquímica de oxigénio) e DQO (demanda química de oxigénio) e consequentemente possíveis descargas. Ambos os sensores óticos e eletroquímicos foram propostos anteriormente, mas várias limitações ainda existem, principalmente na manutenção de uma estabilidade de longo prazo devido à degradação do sensor, bio-incrustação e custo. Filmes de polidimetilsiloxano (PDMS), dopado com Platina octaetilporfirina (PtOEP) são propostos nesta dissertação para a fabricação de um sensor ótico de oxigénio dissolvido. O PDMS tem ampla utilização na fabricação de dispositivos lab-on-chip e aplicações médicas. Possui um processo de fabricação simples, resultando em moldes confiáveis e facilmente replicáveis, utilizando técnicas de baixo custo. As suas excelentes propriedades mecânicas e químicas (alta permeabilidade ao oxigénio, características antibiofouling) resultam em membranas com sensibilidade superior em comparação com outros materiais de matriz. A PtOEP é amplamente utilizada em diversas aplicações tanto como sensor de oxigénio quanto como sensor de pressão, assim, o PtOEP é facilmente encontrado já sintetizado, sem a necessidade de procedimentos complicados. O fabrico nas membranas consiste na mistura de PtOEP num solvente adequado e posterior incorporação em PDMS resultando na formação de membranas luminescentes sensíveis ao oxigénio. É apresentada a influência da espessura do filme PDMS (0,1 − 2,5 mm) e da concentração (181, 363, 545, 727 ppm) nas propriedades luminescentes. No sensor proposto, a membrana é excitada por luz LED ultravioleta modulada de 385 nm, e a luminescência capturada por um fotodíodo filtrado de 647 nm e posteriormente processada por um amplificador de transimpedância. Dessa forma, é possível atingir baixos níveis de deteção, nomeadamente em meio gasoso é possível analisar numa gama de 0,5 − 20% de concentração e em meio líquido de 0,5 − 3,3 mg / L a 1 atm, 25 C. O presente documento propõe um sistema simples e de baixo custo baseado num sistema fotodíodo/LED para detetar baixas concentrações de oxigénio em aplicações situ.

Planet Earth is known as the Blue Planet, due to the huge bodies of water it supports (about 70%), 3% of this volume is freshwater but only 0.06% of this small portion is available for human consumption. Over the last decade, scientific advances have been emphasizing the high relevance of conservation, protection, and monitoring of available water bodies to make life sustainable on Earth. Aquatic ecosystems are not static and immutable, their biological, chemical, and physical characteristics are altered not only by anthropic action (discharges, air pollution, agriculture, deforestation) but also by the natural conditions that influence the water cycle (erosion, minerals solubility, and chemicals naturally present in rock formations). In recent years, increasing demand for efficient and autonomous ways to monitor water quality has become evident, and precise water resource management platforms that allow the evaluation of the different properties of a volume of water to create statistical bases and means of prevention to correct any anomalies. However, political, economic, and social challenges are still an obstacle to technological advances. This is an area that involves several electronic adversities, such as the development of realtime systems, with low electrical consumption, high precision, and accuracy, but also difficulties related to biofouling, intervening of chemical species in measurements, among others. In short, it is a theme that challenges the area of electronic and computer engineering, chemistry, biology, and physics (hydraulics). Dissolved oxygen (DO) is one of the main parameters of water quality analysis, its study allows to deduce the aquatic photosynthetic rate [4], the animal stress rate in aquaculture tanks, aerobic and anaerobic processes, biochemical oxygen demand (BOD) rates, and dissolved oxygen concentration (DOC) and consequently possible discharges. Both optical and electrochemical sensors have been proposed previously, but several limitations still exist, mainly in maintaining long-term stability due to sensor degradation, biofouling, and cost. Platinum octaethylporphyrin (PtOEP) doped polydimethylsiloxane (PDMS) films are proposed here for the manufacture of an optical DO sensor. PDMS is used in the manufacture of lab-on-chip devices and medical applications. It has a simple manufacturing process, it takes place in qualified and easily replicable molds, using low-cost techniques. As its excellent mechanical and composite properties (high oxygen permeability, anti-biofouling characteristics) result in membranes with superior sensitivity compared to other matrix materials. A PtOEP is used in several applications both as an oxygen sensor and as a pressure sensor, thus, the PtOEP is easily found already synthesized, without the need for complicated procedures. The manufacture in the membranes consists of the mixture of PtOEP in a suitable solvent and later incorporation in PDMS obtaining in the formation of luminescent membranes sensitive to oxygen. The entry of the thickness of the PDMS film (0.1-2.5 mm) and the concentration (181,363,545,727 ppm) in the luminescent properties. In the proposed sensor, the membrane is excited by 385 nm ultraviolet modulated LED light, and the luminescence captured by a filtered photodiode of 647 nm and later processed by a transimpedance amplifier. Thus, it is possible to achieve low levels of detection, namely in a gaseous medium, it is possible to analyze the range of 0.5-20% concentration and in liquid medium of 0.5 -3.3 mg / L at 1 atm, 25 °C. This document proposes a simple and low-cost system based on a photodiode / LED system to detect application losses in situ applications.