Presentacion ECsens [Modo de compatibilidad]jttcia/2011/ponencias/JTAG2011...

13/04/2011

1

Luis Fermín Capitán VallveyAlberto J. Palma López

Abril 8 2011

Sensores químicos portátiles para control de aguas

http://ecsens.ugr.es

Esquema

Quienes somos?

Líneas de investigación

Líneas de investigación en análisis de aguas

Tecnologías y capacidades

Colaboraciones

Sensores de un uso e instrumentación portátil

Medida de color y smartphones

Electroquimioluminiscencia

Matrices de sensores

Impresión de sensores

Abril 2011

¿Quiénes somos?

Equipo de investigación multidisciplinar formado porespecialistas en:Sensores Químicos (Departamento de QuímicaAnalítica))Técnicas Digitales, Dispositivos Electrónicos eInstrumentación Electrónica (Departamento deElectrónica y Tecnología de Computadores)Razonamiento Aproximado e Inteligencia Artificial(Departamento de Ciencias de la Computación eInteligencia Artificial)

Abril 2011


Medida de gases en aire y sueloSistemas rápidos para análisis en disoluciónBiosensores para parámetros fisiológicos Lenguas electrónicas ópticas

Abril 2011

Lenguas electrónicas ópticasImpresión de sensoresDeterminación de dosis de radiación para uso médicoPlantillas instrumentadasPlataformas reconfigurables en tiempo realSensores químicos y RFID para envasado inteligente


Sensores y biosensores ópticos desechablesInstrumentación optoelectrónica portátilp pAplicaciones en smartphones Matrices de sensores ópticos: lenguas ópticas desechables e instrumentación portátil

Abril 2011

Tareas:

Tecnologías y Capacidades (I)

Laboratorio de caracterización eléctrica y electrónica hasta 8GHz

Laboratorio de caracterización óptica de

sensores

Laboratorio de caracterización de

materiales y semiconductores

Equipos de medida de campos EM radiados

Cámara para ensayos climáticos

Equipo para prototipado PCB multicapacampos EM radiados climáticos PCB multicapa

Herramientas para el diseño y simulación de sistemas electrónicos

Laboratorio de síntesis y preparación de sensores

químicos

Equipos de medida de luminiscencia

Equipos de medida de absorción de radiación y

técnicas de imagen

Equipos para la preparación de mezclas calibradas de gases y

vapores

Equipo de impresión inkjet y serigrafía de

electrónica y sensores

Abril 2011

13/04/2011

2

Tecnologías y Capacidades (II)

Caracterización y control de calidad de sistemas (óptico y

electrónico) en diversas condiciones de T y HR

Evaluación de los espectros de emisión de los sistemas de comunicaciones de corto

alcance (etiquetas RFID)

Desarrollo completo de sistemas electrónicos

Caracterización de nuevos materiales para sensores

ambientales, biomédicos u otros

Diseño y desarrollo de sensores químicos desde la química de reconocimiento

hasta la inclusión en membranas

Evaluación de la inclusión de químicas de reconocimiento en instrumentación portátil

Abril 2011

Colaboraciones

Acciona

Centro Tecnológico del Mármol de Murcia

Proditema

Empresas

Proditema

NT Diseño

Clan Tecnológica

ATIS Soluciones

GMV Aerospace and Defence

Abril 2011

Colaboraciones

University of Portland (EEUU)

Fraunhofer-Einrichtung für Modulare

Festkörper-Technologien EMFT (Alemania)

Universidades/Centros Investigación

Festkörper Technologien EMFT (Alemania)

Grinnell College (EEUU)

University of Zagreb (Croacia)National Centre for Sensor Research. DublinCity University (Irlanda)Università Tor Vergata. Roma (Italia)

Abril 2011

sensor

Sistemas para análisis en disolución

Sistemas analíticos generales Sistemas analíticos dedicados

Información química

tiempo real

in-situ

Abril 2011

Son formulaciones analíticasque contienen todos losreactivos necesarios para elanálisis en estado sólidosobre adsorbentes oe

un u

so


sobre adsorbentes opelículas situadas formandoun dispositivo

El contacto entre el sensor y el problema desencadena un conjunto de reacciones y procesos que permiten la estimación del analito presente

Sensore

s d

e

Abril 2011

ajas Facil de usar

Tiempo de analisis corto

Instrumentación portatil

Donde se precise


Venta Bajo precio

Sin reactivos líquidos

Sin residuos

Sin personal entrenado

Sin muestreo

Sin costos de mantenimiento

Abril 2011

13/04/2011

3

Tipo de medida?

ogía Absorción

Reflexión


Met

odol

o Reflexión

Fluorescencia

Fosforescencia

Quimioluminiscencia


Color

Abril 2011

Tipos de sistemas?Sensores simples


Matrices de sensores Selectivos

No selectivos

Abril 2011

Na+ K+ Li+ NH4+ Ca2+

Mg2+ Dureza Hg2+ Cu2+ Zn2+simple

s


Mg Dureza Hg Cu Zn

Cl- NO3- NO2

- ClO- H2O2

EDTA TEA Citrato o-fenilfenol oxalato

Sens

ores

s

Abril 2011

O O

O CN H

bipodal azacrown ether with two malonam

WH

Determinación de dureza

N

O O

NC CO

OC

C

O

O

NH

mide side arm

s

CaMg

Ionóforo

Abril 2011

a dur

eza


Sens

or p

ara

Abril 2011

DLR 1.9-14,800*

LD 1.9 *

Precisiónintra

2.624.97

Parámetros analíticos (mg/L)


% 2.62Precisión

Inter%

7.017.645.36

Coste (€/tira) 0.03

Tiempo vida (días) 45

ctÜöÅxàÜÉá tÇtÄ•à|vÉá

Abril 2011

13/04/2011

4

O

NO

O

N

H N

IonofóroCiclofano bicíclico sim

etría C3

Determinación de nitrato

NW

N

O

N

O

N

O

H

N NH

HH

H-

N

O

O

O

Abril 2011

0 6

0.8

1

1.2

α


L.D L.S0

0.2

0.4

0.6

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2Log aNO3

-

α

Abril 2011

DLR 1,63-620

LD 1,63

Precisión*intra

1,71,4

Parámetros analíticos(mg/L)

ctÜöÅxàÜÉá tÇtÄ•à|vÉá


(%) 2,8Precisión*

inter(%)

0,83.76,2

Costo (€/tira) 0,04

Tiempo de vida (días) 30*lo

g NO 3

-

Abril 2011

20

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2log NO3

-

sign

al


-2

-1

0

1

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

log aNO3

sign

al1,63 - 620 mg/L

0,06 - 31.000 mg/L

log NO3

Abril 2011

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

−log NOa

Modelo sigmoidal


-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0

−3

og NOa

−3

log NOa

Modelo linealizado

Abril 2011

sio

0.8

1.0

-3·sd

Instrumentación portátil

Pota

s

-7 -6 -5 -4 -3 -2 -10.2

0.4

0.6

A/A

HC

l (a

.u.)

log [ K+ ] (M)

Abril 2011

13/04/2011

5

2007

INTR

OD

UCCIÓ

NRESU

LTADO

S

Convertidor I/V

0

00Referencia

de tensión a A/DDivisor de haz

Sensordesechable


Convertidor I/V

FotodetectorLED

Fotodetector

0

LED bias

90 %

10 %Membrana

sensora

Abril 2011

200

INTR

OD

UCCIÓ

NRESU

LTADO

S

225

300

375

450

met

ro

(mg·

L-1)

(y=0,9849x-1,0901;r2 = 0,9939)


0

75

150

0 75 150 225 300 375 450

[ K+ ] espect.diodos (mg·L-1)

[ K+

] fot

óm

Veracidad

Fcal≤Fteo

Abril 2011

CO

LOR

Coordenadas RGB

Medida de color

Coordenadas HSV

Abril 2011

Coordenadas RGB

Abril 2011

INTR

OD

UCCIÓ

N

45º8º

Coordenadas RGB

Área de detección

25 cm

30 cm

9 cm

Abril 2011

INTR

OD

UCCIÓ

NRESU

LTADO

S

B B B B B B

Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+Mg2+,Ca2+ Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+ Mg2+,Ca2+ Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+ Mg2+,Ca2+

Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+ Mg2+,Ca2+ Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+ Mg2+,Ca2+ Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+ Mg2+,Ca2+

1·10-7 1·10-7 1·10-7 1·10-7 5·10-7 5·10-7 1·10-5 1·10-5 1·10-5 1·10-6 5·10-5 5·10-5

Ejemplo de

Coordenadas RGB

Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+ Mg2+,Ca2+ Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+ Mg2+,Ca2+Mg2+ Mg2+ K+ K+ Mg2+,Ca2+ Mg2+,Ca2+

1·10-4 1·10-4 1·10-4 1·10-4 5·10-4 5·10-4 5·10-4 5·10-4 5·10-4 5·10-4 1·10-3 1·10-3 1·10-3 1·10-3 1·10-3 1·10-3 5·10-3 5·10-3

1·10-2 1·10-2 1·10-2 1·10-2 5·10-2 5·10-2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.5 0.5 OH- OH- OH- OH- OH- OH-

j pcalibración

Iluminación halógena

Abril 2011

13/04/2011

6

0.6

0.8

1.0

1-α

eff

y = 0.4998x + 0.5173R2 = 0.9485

-0.5

0.5

g(ef

f/ (1-

eff ))

1-α e

f

αef

/(1-α

ef))

0.6

0.8

1.0

1-α

eff

y = 0.4998x + 0.5173R2 = 0.9485

-0.5

0.5

g(ef

f/ (1-

eff ))

1-α e

f

αef

/(1-α

ef))

INTR

OD

UCCIÓ

NRESU

LTADO

S

POTASIO 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-8 -6 -4 -2 0log a(K+)

1-α

eff

y = 0.9898x + 3.5065R2 = 0.9578

-5

-3

-1

1

3

-8 -6 -4 -2 0

log a(K+)

log(α

eff/(

1-α

eff))

+D( α

eff)

log(α e

f/(1-α e

f))+

D(α

ef)

1-α e

f

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-8 -6 -4 -2 0log a(K+)

1-α

eff

y = 0.9898x + 3.5065R2 = 0.9578

-5

-3

-1

1

3

-8 -6 -4 -2 0

log a(K+)

log(α

eff/(

1-α

eff))

+D( α

eff)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-8 -6 -4 -2 0log a(K+)

1-α

eff

y = 0.9898x + 3.5065R2 = 0.9578

-5

-3

-1

1

3

-8 -6 -4 -2 0

log a(K+)

log(α

eff/(

1-α

eff))

+D( α

eff)

log(α e

f/(1-α e

f))+

D(α

ef)

1-α e

f

Coordenadas RGB

0.0

0.2

0.4

-7 -5 -3 -1 1

log a(M g2+)

-3.5

-2.5

-1.5

-7 -5 -3 -1 1

log a(Mg2+)

log

log(α

0.0

0.2

0.4

-7 -5 -3 -1 1

log a(M g2+)

-3.5

-2.5

-1.5

-7 -5 -3 -1 1

log a(Mg2+)

log

log(α

MAGNESIO

DUREZA0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-8 -6 -4 -2 0log a( Mg2+,Ca2+)

1-ef

f

y = 0.4122x + 1.1284R2 = 0.9507

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

-8 -6 -4 -2 0log a(Mg2+,Ca2+)

log(

eff/(

1-ef

f))lo

g(α

ef/(1

-αef

))

1-α

ef

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-8 -6 -4 -2 0log a( Mg2+,Ca2+)

1-ef

f

y = 0.4122x + 1.1284R2 = 0.9507

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

-8 -6 -4 -2 0log a(Mg2+,Ca2+)

log(

eff/(

1-ef

f))

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-8 -6 -4 -2 0log a( Mg2+,Ca2+)

1-ef

f

y = 0.4122x + 1.1284R2 = 0.9507

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

-8 -6 -4 -2 0log a(Mg2+,Ca2+)

log(

eff/(

1-ef

f))lo

g(α

ef/(1

-αef

))

1-α

ef

Cámara fotográfica convencional

Abril 2011

RESU

LTADO

S

0.75

H

Coordenadas HSV

CV: 0,2 – 0,4 %

Rango: 4.5×10-6 M - 1.0×10-1 M

0.55

0.65

-8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0Log[K(I)] No influye:Concentración indicadorEspesor membranaResponsividad espectralIluminación

Abril 2011

Smartphones como plataforma analítica

Abril 2011

0,8

0,9

H

Smartphones como plataforma analítica

0,5

0,6

0,7

-7,5 -5,5 -3,5 -1,5log[K(I)]

Rango 3.1×10-5-0.1 M

CV 1.2 – 1.5%

Abril 2011


Emisión QL producida, directa o indirectamente, comop , ,resultado de una reacción electroquímica

Abril 2011

1 h de secado

Cubeta adhesiva

Muestra

reactivos


[sec.]0 5 10 15 20

[V]

0

500

1000

1500

2000

2500

Dispositivo de dos piezas

PMT

Conector

V

Abril 2011

13/04/2011

7

[mV]

Vo

lta

ge

300

400

500

600


[sec.]Time

0 50 100 150 200 250 300 350

0

100

200

trialquilaminas

Abril 2011

• Trimetilamina (TMA)• Trietilamina (TEA)• Tripropilamina (TPA)


Aplicación:

• Aguas de grifo

• Aguas embotelladas

• Orina (TMA, trimetilaminuria)

Abril 2011

Sensor para frescura de pescado

Pescadodescomposición

TMA

Histamina

HAKE SAMPLES CONSERVED AT 4ºC

40.0

50.0

00

g


Histamina

Putrescina

Cadaverina

Espermina

Espermidina

Especies:

• Merluza

• Pescadilla

• Boquerón

• Sardina

0.0

10.0

20.0

30.0

0 20 40 60 80 100 120 140Extraction time (h)

[TM

A]

mg

/1

0

ECLLC-MS

Abril 2011

Gold SPE cell

Working electrode

Plastic receptacle

SENSOR PREPARATION

a


Poly(luminol-TMB)formation

-0.2 0.5 1.05V

Cyclic Voltammetry

Luminol-TMBsolution

electrodeInmovilización reactivosformando polímeros ECL

Abril 2011

a

d

e


b c

200 µm 20 µm

10 µm

Abril 2011

PMT

ECL emission

010 20 30

t / s

I / m

V

10

30

b

Peróxido de hidrógeno


H2O2

0.6 V pulses application

Rainwater H2O2DETERMINATION

Ln [H ]

0

3000

6000

-25 -20 -15 -10 -5

2O 2

I / m

V

Semi-logarithmic calibration

Rango: 6.1·10-9 – 1.0·10-5

CV: 10.9%

Abril 2011

13/04/2011

8


Abril 2011

Tipos de sistemas?Sensores simples


Matrices de sensores Selectivos

No selectivos

Abril 2011

Lenguas ópticas de un uso

Membranas sensoras de baja selectividad que originen cambio de colorque originen cambio de color

+ Técnicas de calibración multivariada

Abril 2011

Lengua electrónica óptica para Na(I) y K(I)

Membranas sensoras no selectivas


Membranas sensoras no selectivas

éteres corona

++++ ++↔++ zHCzILHCzLpI zp

z

Abril 2011


Procedimientos


Superficies de ajuste

Redes neuronales

Abril 2011




Abril 2011

13/04/2011

9




Ajuste de superficie

Minimización distancia euclídea

Abril 2011

Sensor óptico para pH de amplio rango

1,2


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 2 4 6 8 10 12

pH

H m

ost

Abril 2011

Sensor óptico para pH de amplio rango

Modelos de predicción de pH

Errores


•Lineal

•Sigmoidal

•De competición de membranas

•Redes neuronales

Errores

0,10

0,18

0,12

0,016

Abril 2011

keypad LCD

PC

Instrumento poratil para medida de pH


μCμOLED

power management

EEPROM

Portable instrument

USB (optional)

colour detectorsSensor array

Abril 2011

illumination pattern OLED display


colour detectors

colorimetric sensor array

Abril 2011

10

12

14B

10

12

14A

HH


0

2

4

6

8

0 2 4 6 8 10 12 14

true pHpredicted pH

True pH

0

2

4

6

8

0 2 4 6 8 10 12 14

true pHpredicted pH

True pH

Pred

icte

dpH

Pred

icte

dpH

0 2 4 6 8 10 12 140 2 4 6 8 10 12 14

Abril 2011

13/04/2011

10


Pruebas de impresión de sensores sobre substrato

flexible con impresora Dimatix DMP-2831

Abril 2011


PAR

Metales pesados

Abril 2011


Abril 2011

Luis Fermín Capitán Vallvey

Abril 8 2011

Sensores químicos portátiles para control de aguas

Contacto: 958 [email protected]

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