microlaboratórios autônomos para monitoramento de...

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Microlaboratórios Autônomos para Monitoramento de Águas

Dr. Antonio Carlos SeabraDep. Eng. Sistemas Eletrônicos

Escola Politécnica da USP2014

Introdução

O monitoramento ambiental, e as próprias ciências ambientais, estão em um momento decisivo:

Redes de monitoramento experimentais que coletam dados ambientais demonstram que uma compreensão verdadeira da dinâmica ambiental necessita de uma presença in situconstante

Tecnologias e plataformas desenvolvidas para facilitar essa presença desembocaram em uma nova era que depende cada vez mais de redes de sensores in situ.

Por sua vez as redes de sensores in situ necessitam de sensores pequenos, confiáveis, robustos, autônomos e com baixo consumo de potência

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Sensores Seletivos a Íons: O ISFET

Com o ISFET tornou-se possível fabricar em larga escala, empregando a tecnologia do silício, microssensores reprodutíveis e baratos totalmente em estado sólido

1 mm

Schianti,J.; Gongora-Rubio, M.;Seabra, A.C.; Jimenez-Jorquera, C.

(7h IBERSENSOR, 2010)

Sensoriamento AmbientalUso em campo e escalabilidade

Para monitoramento ambiental com sistemas sensoriais é muito importante estabelecer:

A maturidade do sensor para instalação em campo (deriva e calibração)

A durabilidade do sensor para utilização em modo contínuo

A escalabilidade do sensor para permitir sua distribuição em campo (pequeno, barato e com baixo consumo para permitir sua semeadura)

Considerando esses aspectos, sensores físicos possuem maior disponibilidade que sensores químicos, que por sua vez estão mais disponíveis que sensores biológicos

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Sensoriamento Ambiental (em campo)

Os Microssistemas de Análise

Os futuros microssensores devem ser capazes de detectarmúltiplas espécies com alta seletividade

A tecnologia dos microssistemas de análise pode oferecer essasvantagens pela miniaturização de técnicas já comprovadas e associando outras vantagens:

Baixo consumo de potência (alimentado por células solares)

Baixo consumo de insumos (na escala litro/mês ou menor)

Autocalibração

Redução de problemas com falseamento biológico de medidas

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Os Microssistemas de Análise

Microssistemas de análise total (μ-TAS)Laboratório em um chip (Lab on a chip)

Laboratório em um cartão (Lab on a card)

Laboratório em um invólucro (Lab on a package)

Microssistemas de análise para Monitoramento Ambiental?Autonomia

INTRUMENTAÇÃOELETRÔNICA

SISTEMA DE DETECÇÃO

MICROFLUÍDICA

MLA

Microlaboratórios Autônomos (MLA)

4

5

Microlaboratórios Autônomos (MLA)

MicroLaboratórios Autônomos (MLA) são Microssistemas de Análise Total Autônomos com potencial para integrar e automatizar:

Preparação da amostra

Mistura

Detecção

Controle, aquisição e transmissão de dados

Autocalibração

Microlaboratórios Autônomos (MLA)Tecnologias de Microfabricação

Silício Altíssimos volumes de produçãoIntegração de gerenciamento fluídico é deficiente, não é 3D

Vidro Baixo grau de integração entre microfluídica/química e eletrônicaPouco adequada para protótipos

Polímeros Grau médio de integração (complexidade)Medianamente adequada para protótipos

Cerâmicas verdes (Low Temperature Co-fired Ceramics - LTCC)Grau aceitável de integração microfluídica/química e eletrônicaAdequada para protótipos e baixos volumes de produção

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Tecnologia LTCCDesenvolvida para circuitos eletrônicosmulticamada de alto desempenho

Fácil usinagem en estado verde

Técnica de fabricação simples e econômica(prototipagem rápida)

Aplicações em mecânica, eletrônica e fluídica

Compatível com uma ampla gama de materiais

Estruturas tridimensionais

Selo hermético

Compatível com altas temperaturas (450˚C)

Tem

pera

tura

(°C)

Tempo

850 °C

350 °C

20

Depois da sinterização é impossível distinguir entre as

várias camadas que compõem o dispositivo

Tecnologia LTCCPrensagem e Sinterização

6

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Condições experimentais:Vazão: 0,7 ml min-1

El. Trabalho: Pt Ø 4mm e 0.125 m (espessura)Volume de amostra: 500 lSolução transportadora: KNO3 0,1MAmostras: K4Fe(CN)6 (0,1 – 3 mM) Potencial : 250 mV

Exemplo de ImplementaçãoDesenvolvimento de um Potenciostato

MLA

Microfluídica

Analytical Chemistry 2009 Sep 1;81(17):7448-53. doi: 10.1021/ac9012418

Sistema de fluxo

Circuito eletrônico

Projeto em CADEscrita Direta

7

8

Serigrafia

Serigrafia

8

9

INSTRUMENTAÇÃOELETRÔNICA

MICROFLUIDICA

SISTEMA DETECÇÃO

Microlaboratório AutônomoDesenvolvimento de um Potenciostato

Martínez-Cisneros, C. ; da Rocha, Z. ; Ferreira, M. ;Valdés, F. ; Seabra, A. Analytical Chemistry (2009)

VISTA SUPERIOR VISTA INFERIOR


LTCCLTCC

Parafuso metálicoPorca metálica

Canal de líquidoArruela(Teflon)Eletrodo

Cavidade do canal

9

10

-7.E-01

-6.E-01

-5.E-01

-4.E-01

-3.E-01

-2.E-01

-1.E-01

0.E+00

1.E-01

2.E-01

0 5 10 15 20 25 30 35

Tiempo (min)

Co

rrie

nte

(A

)

0.4ppm 0.9ppm 1.8ppm 3.6ppm 5.3ppm 7.1ppm

Concentración (ppm)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Co

rrie

nte

(A

)

-8e-7

-6e-7

-4e-7

-2e-7

0

r2>0.999; n=3RSD = 1.9%


Limitações

Manipulação fluídica integrada (bombas e válvulas)

Redução do volume de reagentes

Estabilidade do eletrodo (técnica de detecção)

Integração do pré-tratamento de amostras

Auto-calibração


10

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ELETRÕNICA(PARTE INFERIOR)

MICROFLUÍDICA(PARTE SUPERIOR)

REAGENTES

KCl

AMOSTRA

DESCARTE MICROBOMBAS

Microlaboratório AutônomoManipulação Fluídica

MICROVÁLVULAS

Microlaboratório AutônomoManipulação Fluídica

11

12

ELETRÕNICA(PARTE INFERIOR)

MICROFLUÍDICA(PARTE SUPERIOR)

REAGENTES

KCl

AMOSTRA

DESCARTE

Microlaboratório AutônomoRedução do Volume de Reagentes

Volume atual de reagente = 800L

8064 amostragens/mês (6,5 L/mês)

Reduzir em 40 vezes (20L)

Estudo e otimização do percurso fluídico(mistura, perda de carga, volume)

Algoritmos de detecção rápida

Microlaboratório AutônomoTécnica de Detecção

MultiFotometria

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Volume célula de fluxo 91 µL

25mm

Microlaboratório AutônomoTécnica MultiFotométrica

Lab on Chip, 2012 Jan 7;12(1):109-17. doi:10.1039/c1lc20747d

4 mm

7 mm

Arranjo de LEDs não encapsulados


13

14


13 mm

14 mm

Conversor luz - frequência

Quatro tipos de fotodiodos (Vermelho, verde, azul e sem filtro)

Dispositivo final

Sensor de Temperatura

Comunicação serial

Microcontrolador

Controle dosLEDs

Conector para detector

Microlaboratório AutônomoDispositivo MultiFotométrico

14

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LED 630 nm LED 490 nm

LED 565 nm LED 590 nm

Microlaboratório AutônomoDispositivo Modo Fotométrico

Estudo da Funcionalidade (amostras conhecidas)

400 450 500 550 600 650 7000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

Ab

sorb

ân

cia

Comprimento de onda (nm)

1,0Molar azul de metileno2,5Molar azul de metileno5,0Molar azul de metileno7,5Molar azul de metileno10Molar azul de metileno

400 450 500 550 600 650 7000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

Ab

sorb

ânc

ia


1,0Molar alaranjado de metila2,5Molar alaranjado de metila5,0Molar alaranjado de metila7,5Molar alaranjado de metila10 Molar alaranjado de metila

400 450 500 550 600 650 7000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Ab

sorb

ânci

a


0,5Molar vermelho de fenol 1,0Molar vermelho de fenol 1,5Molar vermelho de fenol 2,0Molar vermelho de fenol 2,5Molar vermelho de fenol

400 450 500 550 600 650 7000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Ab

sorb

ânc

ia


5M de bromocresol verde 10M de bromocresol verde 15M de bromocresol verde 20M de bromocresol verde 25M de bromocresol verde

Microlaboratório AutônomoDispositivo Modo MultiFotométrico

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VP

1.00 mg/L 0.75 mg/L 0.50 mg/L 0.25 mg/L 0.10 mg/L

Microlaboratório AutônomoAutocalibração

Tempo (min)

0 10 20 30 40 50

Abs

orb

ânci

a

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Concentração (mg L-1)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

Abs

orbâ

nci

a

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

1,0 mg L-1

(1:0)

0,75 mg L-1

(3:1)

0,5 mg L-1

(1:1)

0,25 mg L-1

(1:3)

0,1 mg L-1

(1:9) 0,05 mg L-1

(1:19)

A = (0,489 ± 0,004)·[PO43-] - (0,0049 ± 0,0009)

r2 = 0,999, RSD = 1,28 % (0,25 mg L-1 ; n=3),LD =15,8 µg L-1

Am. Padrão

Preparação dos Reagentes

Ácido Ascórbico – 1,76g em 100 mL

Reagente Cominado

H2SO4 1N – 14 mL em 100 mL

Antimônio Tartarato de Potássio – 274,3 mg em 100 mL

Molibdato de Amônio – 4g em 100 mL

50 mL H2SO4 + 5 mL Tartarato + 15 mL Molibdato

Vazão das mangueiras na análise de Fósforo:

Padrão + H2O – mangueira azul – 2mL/min

Ácido Ascórbico – mangueira amarela – 0,36mL/min

Reagente combinado – mangueira amarela – 0,36mL/min1.000uL de amostra


Estudo da Determinação de Concentração de Fósforo Inorgânico em Águas

16

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47ºC

40ºC

30ºC

Dispositivo com aquecimento a 30ºC; 40ºC e 47ºC


Estudo com Aquecimento

16:10 16:20 16:30 16:40 16:50 17:000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Abs

orbâ

ncia

Tempo (h)

PO3-4

Calibração PO3-4 0,1 mg/L

Aquecimento 50ºC sem parada de bomba

0,01 - 0,025 - 0,05 - 0,075 - 0,1 mg/L

Tamanho 30s - volume de amostra 1000uL

10uL25uL

50uL

75uL

100uL

Microlaboratório AutônomoOtimização: Estudo da otimização da reação

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Infraestrutura

Divisão de Microssistemas Integrados LSI/PSI/EPUSP

Domínio Tecnológico dos Principais Processos

Facilidades de Salas Limpas

Facilidades de Caracterização

Projetos de Circuitos Discretos/Integrados

Expertise em Escrita Direta

Facilidades de Microfabricação Lab on Package

Fabricação de PCIs de Alto Desempenho

Facilidades de Microfabricação Lab on Packagee PCIs de Alto Desempenho

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Obrigado!Contato:

[email protected]. Eng. Sistemas EletrônicosEscola Politécnica da USPPSI-EPUSP

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