WO2007003674A2 - Instrumento y método para la medida de la concentración de gases - Google Patents

Instrumento y método para la medida de la concentración de gases Download PDF

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María Dolores FERNÁNDEZ RAMOS
Francisco Javier LÓPEZ GONZÁLEZ
Luís Javier ASENSIO MORCILLO
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    • G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7786—Fluorescence

Definitions

  • gases are of great importance in various fields such as medicine, environment, biology, agriculture, occupational safety, defense, transport or industry, as well as automobile, aerospace, agri-food or mining.
  • sensors for gases and vapors there are different types of sensors for gases and vapors, as well as those based on electrical measurements such as those of semiconductors of metal oxides (MOS) T of wide " range of use although inherently they are not specific or stable; those of thermal conductivity (catarometer) used for both individual gases and mixtures, although they have a wide range of response although they are not very sensitive or selective; those of catalytic winding for flammable gas mixtures are susceptible to poisoning and require the use of correction factors; electrochemicals are based in chemical reactions, they can be more selective than the previous ones although they present problems related to the high value of the residual current, drift and slowness in the response.
  • the optical type sensors for gases can use intrinsic properties such as carbon dioxide , methane, sulfur dioxide or others, based on their IR absorption and less frequently in its UV absorption.
  • a group of optical sensors of great interest are those based on the luminescence attenuation of a luminophore by dynamic dimmers such as oxygen, sulfur dioxide (TMA Razek, MJ. Miller, SSM Hassan and MA Amold, Talanta, 50 , 491-498 (1999)), nitrogen oxides (DY Sasaki, S. Singh, JD Cox and PI Pohl, Sensors Act.B, 72, 51-55 (2001)), halothane, chlorides (C. Huber, T Werner, OS Wolfbeis, DE Bell and S. Young, Optical-chemical Sensor, US Patent Application 20020034826, 2003), chlorine (S. Kar and MA Amold, Talanta, 42, 663-670 (1995)), in this case by attenuation by chloride originated in solution, or others. Of all of them, the most interesting and in demand are by far the oxygen sensors.
  • Optical oxygen sensors have been developed in the past decade and have several advantages over electrochemicals, like this: small size, low price, fast response, do not consume oxygen, can perform remote detection as invasive detection for measurements in vivo, do not need electrode of reference or electrical connections, are free of electromagnetic interference, have inertia against the variation of flow rate and agitation as well as high external pressures, do not have cross sensitivity to carbon dioxide and hydrogen sulfide, among others, do not suffer contamination in The membrane and do not poison easily.
  • the most used are sensors based on the deactivation of luminescent emission, such as fluorescence or phosphorescence, of luminophores.
  • the most commonly used luminophores usually belong to one of the following groups: a) polycyclic aromatic hydrocarbons, such as pyrene, pyrenobutyric acid, fluorantene, diphenylantracene or others. They are efficient attenuators, with life times ( ⁇ ) of the order of 200 ns, although they have the disadvantage of absorbing radiation only in the ultraviolet region, which is a major problem for the design of instrumentation. In addition, the short life time makes the instrumentation more complex and expensive; b) Dyes that absorb long wavelengths, such as tripaflavin, benzoflavin, safranine, porphyrins or erythrosine (life time ( ⁇ ): 250 ⁇ s).
  • a) polycyclic aromatic hydrocarbons such as pyrene, pyrenobutyric acid, fluorantene, diphenylantracene or others. They are efficient attenuators, with life times ( ⁇ ) of the order of 200 ns, although they have the disadvantage of
  • organometallic complexes of which several groups stand out, so ruthenium chelates with bipyridyl-type ligands ( ⁇ : 0.1 - 7 ⁇ s), lanthanide chelates ( ⁇ : 1 ⁇ s - 2 ms) and metalloporphyrins ( ⁇ : 20 ⁇ s - 1 ms) Although they have different excitation mechanisms, these complexes usually show visible absorption, a large Stokes shift (150-200 nm) and long life times. In general, in these optical sensors the luminophore is incorporated into a gas permeable membrane and the luminescence shown by that membrane is measured.
  • the membrane material is of great importance determining both the oxygen permeability and the lifetime of the excited state of the luminophore (R. Ramamoorthy, PK Dutta and SA Akbar, J. Mat. Sci., 38, 4271-4282 (2003) ); (KA Kneas, W. Xu, JN Devon and BA DeGraff, App.Spe ⁇ , 51, 1346-1350 (1997)); (RE Slovacek and KJ. Sullivan, Oxygen Sensing Membranes, US 6,074,607, 2000).
  • Various strategies have been used for the development of luminescence dimming sensors; mainly, those based on measures of intensity and those of life time (time resolved).
  • the sensors based on the measurement of the luminescence intensity use conventional instrumentation such as luminescence spectrometers provided with: 1) flow cell in which the luminophore is arranged in a membrane or in a particulate solid (A. Sanz-Medel, R. Pereiro-Garc ⁇ a, ME Diaz-Garcia and YM Liu, Oxygen-quenchable phosphorescent materials and their applications in oxygen sensing, EP 065355, 1994); 2) fiber optic system at whose distal end the luminophore is arranged (TB Hirschfeld, Remote multi-position information gathering system and method, US 4,577,109, 1986); (J. Kane, Optical I tested for measuring pH and oxygen in blood and employing a composite membrane, US 4,785,814, 1988).
  • This system has an intrinsic limitation because it does not take into account the possible photodegradation of the luminophore.
  • a second way to measure the concentration of oxygen is to measure the rate of decay, for which the intensity is measured at different delays. In the case of a simple exponential decay, only two points will be necessary, while in the case that it is not, adjustments to double or multiexponential exponentials will be necessary, which complicates the establishment of calibration functions (GE Khalil, MP Gouterman and E. Green, Method for measuring oxygen concentration, US 4,810,655, 1989).
  • This form of measurement has the advantage of being less dependent on the configuration of the sensor or variations in the optical path.
  • the methods based on intensity measurements have a series of drawbacks related to calibration and long-term stability.
  • the luminescence intensity may be affected by changes in the intensity of the light source, by variation in the transmission efficiency of the optics, by photooxidation or leaching of the luminophore, by intrinsic fluorescence of the sample or by others optical characteristics of it.
  • One of the main problems of the dyes commonly used is their photolability, since electromagnetic radiation induces photochemical reactions that lead to the decomposition of the indicator, reducing life sensor useful. Photo decomposition causes a concomitant decrease in the signal, the photoderiva.
  • Intensity fluctuations due to the source and transmission can be corrected using dual beam configurations.
  • the problems of photodecomposition, which lead to drift, can be avoided by using more stable luminophores and minimizing exposure to light, either by reducing the light intensity of the source, the duration of each measurement cycle or by using relative signals.
  • the methods of resolved time have been used to try to avoid the problems presented by the intensity measurements, since in a first approximation the life time is independent of both the radiation intensity of the source (fluctuations, aging) and of the ambient radiation and the photooxidation or leaching of the luminophore, which reduces the requirements of the optical components of the instrumentation and requires a less frequent recalibration than the intensity based systems.
  • the two types of methods most used are those that work in the domain of time or frequency.
  • the luminescence decay time can be measured directly using a pulsed light source and high speed detectors; Thus, the combined use of laser, photomultiplier and oscilloscope is frequent, which results in large instrumentation and high price, which is of little use for many purposes.
  • Phase modulation methods are much more interesting and used within those of the frequency domain.
  • a modulated radiation source is used, usually sinusoidal.
  • the luminescent emission intensity will vary sinusoidally at the same frequency than the excitation signal, but with a phase shift related to the relaxation time.
  • the modulated emission is measured with a conventional detector (photodiode or photomultiplier) and analyzed with a phase sensitive detector, thus a lock-in amplifier.
  • Phase modulation methods can be carried out univariate or multivariate.
  • the parameter dependent on the attenuator concentration is originated when the sample is treated with the excitation signal, so that we can measure: 1) phase shift at constant modulation frequency; 2) demodulation factor at constant modulation frequency; 3) modulation frequency at constant phase shift or 4) modulation frequency at constant demodulation factor.
  • Phase displacement measures have been the most used for the design of oxygen sensors, both based on the fluorescence attenuation ( ⁇ ⁇ 5 ⁇ s) using LED as a light source and photomultiplier as a detector (ME Lippitsch, J. Pusterhofer, MJP Leiner and OS Wolfbeis, Anal.Chim.Acta, 205, 1-6 (1988)); (G. Holst, T. K ⁇ ster, E. Voges and DW Lübbers, Sensors Act.B, 29, 231-239 (1995)), as in phosphorescence attenuation.
  • phase demodulation techniques presents the problem of the great influence exerted by the background radiation, which has been avoided by measuring the amplitude of the signal at two different modulation frequencies (D. Andrzejewski, I. Klimant and H. Podbielska, Sensors Act.B, 84, 160-166 (2002)).
  • the excitation signal contains a wide range of frequencies and is the phase shift or the demodulation factor at various frequencies that is used for the determination of the analyte, after deconvolution of the signal obtained (RJ. Alcalá , Biomedical fiber optic I tested with frequency domain signal processing, EP 442276, 1991); (JG Bentsen, Emission quenching sensors, US 5,518,694, 1996).
  • This type of multivariate sensors has the disadvantage of the greater complexity of the excitation and detection systems.
  • the luminescence attenuation sensors usually present due to fluctuations or derives from the signal due to changes in the intensity of the light source, variation in the transmission efficiency of the optics, photooxidation or leaching of the luminophore, Intrinsic fluorescence of the sample or by other optical characteristics thereof.
  • various strategies have been used.
  • One of the most important problems is the photooxidization of the luminophore, since it affects the emission intensities since the life time parameters are not modified as the photoproducts do not emit radiation and no changes in the luminophore microenvironment are induced.
  • the reference molecule can be the luminophore itself, since some molecules have emission bands that show different, little or no oxygen attenuation, so that the signal quotient is poorly dependent on the photodecomposition of the molecule.
  • they have been used with polycyclic aromatic hydrocarbon type luminophores (G. Alien, HK Hui and A. Gottlieb, Method and material for measurement of oxygen concentration, US 5,094,959, 2004); (SM Klainer and K.
  • Rao Sensors Act.B, 90, 139-142 (2003)
  • the triplet depends largely on the oxygen concentration, while the singlet intensity is hardly affected.
  • the quotient system of both signals Io use both with intensities and with life times, using techniques in the frequency domain, and also with fluorescence polarization measures.
  • a second group of systems proposes to use reference molecules different from the indicators (luminophore), which fulfill the condition of being insensitive to the environment and that photodecompose at the same speed as the luminophore, although the latter is the most difficult and is one of the limitations of these systems.
  • Kane et al. J. Kane, R. Martin and A. Perkovich, Ratiometric fiuorescence method of making for measuring oxygen, US 5,728,422, 1998) propose using ruthenium-phenanthroline complexes as a luminophore indicator and perylene derivatives as a reference indicator since they meet the condition that the constant of Stern-Volmer, K S v, of the latter is ⁇ 5% of the luminophore and with differentiated maximums of emission.
  • Hauenstein et al. (BL Hauenstein, R. Picerno, HG Brittain and JR Néstor, Luminescent oxygen sensor based on a lanthanide complex, US 4,861, 727, 1989) employ a quotient of signals from a membrane containing two lanthanide complexes with Schiff bases or ⁇ - Dynastones of which one shows phosphorescence attenuated by oxygen and the other does not, an approach very similar to that used by Nestor et al. (JR Néstor, JD Schiff and BH Priest, Excitation and detection apparatus for remote sensor connected by optical fiber, US 4,900,933, 1990).
  • Xu et al. H. Xu, JW Aylott, R.
  • the calibration curves represent the mathematical expression, or the table of values, which allows the analyte concentration to be calculated from the information detected by the sensor zone and the temperature (the latter in the case of systems with thermal correction).
  • two-point sensor calibration procedures and recalibration are required.
  • the initial calibration is performed after the sensor assembly or immediately after its first use. Recalibration is usually required during the life of the sensor to maintain the degree of accuracy required in the measurements.
  • the usual calibration in attenuation sensors uses the Stem-Volmer equation and requires the determination of the signal, intensity or life times, both in the absence and in the presence of different known analyte concentrations.
  • the invention relates to a portable instrument and a method for measuring the concentration of a gaseous analyte in a gaseous medium, based on
  • the instrument can be configured to allow recalibration with a single point.
  • the main objectives of this invention have been to design an autonomous instrument of high performance, stable response, low weight and dimensions and low energy consumption.
  • the technical and functional characteristics of the invention in the sensor area of the instrument are: a) Light source of suitable characteristics, for example a light emitting diode, for the excitation of the phosphorescence of the luminophore. b) A photodetector that generates a binary output signal, that is, characterized by two voltage levels, depending on whether the intensity of the aforementioned phosphorescent emission that it receives, is above or not a certain threshold. This device is located a few millimeters from the mentioned excitation source. c) A sensor film containing the substances necessary to produce a luminescent signal that is stable over time and dependent on the analyte concentration.
  • Said film which is permeable to the analyte, is placed in contact with the active face (collector lens) of the aforementioned photodetector so that the emission by the phosphorescent indicator depends on the concentration of said analyte in the film.
  • a photo-stabilizing compound could be included in this film that reduces the photoderivation of the phosphorescent emission of the indicator after successive light excitations.
  • a temperature sensor located a few millimeters from the film sensor-photodetector film set. The measurement procedure is summarized in:
  • Light excitation receiving a response from the photodetector in a high state during a certain period of time in which the intensity of the phosphorescence is above a certain value (threshold).
  • the instrumentation resulting from this invention allows the recalibration with a single point, requiring simple exposure to an atmosphere of known composition. as it can be outdoors, without requiring the preparation of mixtures of known composition in the laboratory. This procedure allows to reconstruct the calibration surface that includes, and therefore corrects, the influence of the temperature on the luminescence attenuation.
  • This invention has a more compact design, a better arrangement in the alignment and reduction of optoelectronic components, a greater efficiency in the collection and processing of information than some others previously described, resulting in a high reliability, portable and measuring instrument. Low cost.
  • the instrument is composed of the following subsystems: a. Optical exciter / sensor / detector subsystem and temperature sensor. This block includes the components for the excitation of phosphorescence, The sensor film containing the luminescent or illuminophore indicator with the photostabilizer (if necessary), the photodetector device that converts the light signal into an electrical signal and the temperature sensor. b. Microcontroller based subsystem for signal processing and instrument control. That is, electronic components for analog-to-digital conversion, digital processing, control of the excitation / detection zone, control of the various user nterfases and power management.
  • This subsystem preferably includes memory for storing the information related to the calibration function that allows the analyte concentration to be calculated from the temperature and the information detected in the sensor zone.
  • Figure 2 shows the side view of the arrangement of the components of the excitation and optical detection subsystem: light source and photodetector.
  • the light source is a light emitting diode, LED, or other alternative source that meets the conditions of adequate wavelength to excite phosphorescence, reduced size and low consumption.
  • the size of this set which can be designed to be replaced when necessary, could be 16 mm long, 5 mm high and 8 mm wide.
  • One of the contributions of the present invention lies in the arrangement of the sensor film with respect to the photodetector device.
  • the mentioned mixture is arranged in the form of a film directly on the active surface (collector lens) of the photodetector device, without intermediate filter, as shown in Figure 3.
  • the shape of locating said film can be varied, for example, it can be carried out by immersion of the photodetector in a solution containing the appropriate reagents in addition to the sensing substance or by deposition of a volume of the order of microliters thereon with subsequent drying, in both cases, or it can be deposited under vacuum on the photodetector or by any other procedure existing in the technique.
  • the processing of the information from the sensor zone is controlled and performed by a central processing unit, a task that can be assumed by a microprocessor or a microcontroller.
  • This component together with its accessory timing elements, also synchronizes all the elements of the instrument, maintaining the control of the time and intensity of the light excitation as well as the different subsystems of interface and communications and the management of the power supply.
  • Another contribution of the present invention consists in the method of measuring the phosphorescent signal.
  • the method used clearly differs from those previously proposed, previously set forth in the section on the state of the art in this matter.
  • the novelty is based on the use of a photodetector with binary output whose value depends on whether the light intensity received is above or below a certain threshold. So, when starting the broadcast phosphorescent, the light intensity is maintained above said threshold, producing a high-state output of the photodetector device. When the same decays and exceeds the set threshold, the transition of the output of said photodetector to low state occurs with a delay of few microseconds.
  • the luminophore that is used in the present invention must comply with the usual conditions in attenuation sensors (oxygen permeability, luminophore solubility, stability and adequate mechanical and optical properties) being of special interest that presents high values of half-life, together with luminescence excitation in the visible and sufficient photostability.
  • the analyte concentration information is contained in the high state of the mentioned digital signal.
  • the immunity to electronic noise and interference in this way of obtaining and processing the information improves the previous procedures.
  • the possible interferences due to the own excitation signal and the possible fluorescence of the luminophore do not influence the result.
  • These interfering phenomena occur in the first moments of the phosphorescent emission when the light intensity is well above the threshold established for the switching of the photodetector output.
  • the analog-digital conversion of the signal from the photodetector is direct, simple and with the possibility of achieving high resolution.
  • One possibility would be to multiply that signal by a high frequency periodic signal and count the result cycles with a digital counter.
  • will be the numerical value corresponding to the time measured from the beginning of the phosphorescent emission until it falls below a certain threshold.
  • the signal-to-noise ratio of this acquisition is improved by repeating the measurement process and performing the digital averaging on the microcontroller.
  • This averaged value together with the digital reading of the temperature sensor is processed in the microcontroller, introducing them to the previously characterized and stored calibration surface, which results in the concentration of the analyte that produces the luminescence attenuation.
  • the initial calibration process consists in the experimental determination of said coefficients.
  • (a 0 ), a 2 f 2 (ao),
  • the recalibration process of the measuring instrument can be carried out at a single point. Therefore, the analyte concentration [A] will ultimately be a function of a 0 , T and N
  • the above-mentioned calibration surface can be reconstructed from the calculation of a 0 , so that the instrument will be prepared for use with the performance indicated and in the determined ranges.
  • the recalibration by means of a point has additional advantages such as: i) ease of procedure, ii) it is not necessary to use a laboratory for calibration, iii) successive correction of photoderiva by means of a periodic recalibration protocol, iv) independence of the result of environmental conditions such as pressure or humidity, by recalibration when there are changes in these conditions.
  • the interface with the user comprises the output through liquid crystal display (LCD) of the analyte concentration and the temperature, in addition to the activation of a sound alarm when said concentration exceeds certain preset margins.
  • LCD liquid crystal display
  • a keypad could be provided so that the user can choose the time between acquisitions, for example, one could choose between almost continuous acquisition mode, another intermittent acquisition mode or immediate acquisition mode.
  • the microcontroller is responsible for placing the instrument in a very low consumption mode when it is not taking any measurement, in order to extend the life of the batteries.
  • the instrument is completed with an interface for the connection of compatible devices, such as personal computers or modem.
  • compatible devices such as personal computers or modem.
  • One possible support is the standard of serial communication between devices, RS232. This communication allows the reconfiguration of the instrument through the variation of said calibration surface, as well as the modification of the conditions of measured, by reprogramming the microcontroller or central processing unit.
  • This invention has been applied to the measurement of oxygen gas in air.
  • different ruthenium complexes with phenanthroline and bipyridyl type ligands, organic dyes such as erythrosine, lanthanide chelates, mainly europium and terbium, metalloporphyrins such as: platinum (II) can be used octaethylporphyrin, palladium (II) octaethylporphyrin, platinum (II) octaethylporphyrinketone, palladium (II) octaethylporphyrinone ketone or platinum (II) tetrapentafluorophenylporphyrin, highlighting the platinum (II) octaethylporphyrin for its high lifetime, its good photostability in the presence of high stabilization, in
  • Polymers that have sufficient oxygen permeability and good optical and mechanical properties among which are polyvinyl chloride, polystyrene, silicas or fluoromethacrylates, among others, plasticized when necessary, can be used as membrane polymer.
  • various tertiary amines can be used, such as, for example, 1-4 diazabicyclo [2,2,2] octane (DABCO).
  • an embodiment for the preparation of the coated photodetector consists in the deposition on it of a film composed of different chemical substances in amounts comprised in the ranges: 0.075-2.25 ⁇ g of polystyrene, 1, 6-9.9 ⁇ g of Platinum (II) octaethylporphyrin complex and 2.5-22.5 ⁇ g of DABCO.
  • amounts comprised in the ranges: 0.075-2.25 ⁇ g of polystyrene, 1, 6-9.9 ⁇ g of Platinum (II) octaethylporphyrin complex and 2.5-22.5 ⁇ g of DABCO.
  • an ultra-bright light emitting diode with the maximum emission at 525 nm and a maximum intensity of 1000 mcd was used for light excitation.
  • the photodetector provides two outputs: one at 0 V and another at 5 V depending on whether the received intensity is below or above a threshold, thus being directly connectable to the subsequent digital circuits.
  • the typical transition time between the high and low states of the output of said detector is 3 ⁇ s.
  • the information processing and control of all peripherals Io performs a mid-range microcontroller.
  • the acquisition consists of the following steps:
  • the temperature is acquired with a sensor with direct digital output and stored in the central unit.
  • the sensor Prior illumination of the sensor without measurement of the photodetector output, so that the response of the entire optoelectronic stage is stabilized. 3. Next, the sensor is illuminated with a pulsed light signal of 2000 Hz frequency for 1 second, averaging the result of these 2000 measurements. For each of these measurements, the photodetector output signal in a high state with the duration of the time interval from when the light excitation ceases until the threshold is exceeded, is multiplied by the 4 MHz clock signal that synchronizes
  • the central unit A counter of the central unit itself performs the quantification and stores.
  • all the coefficients can be set as linear functions of a 0 , so that the recalibration of the instrument can be performed in a single point, since the oxygen concentration is an exclusive function of a 0 , T and N
  • This embodiment has a compact design, a significant reduction of the sensor zone, a great efficiency in the collection and processing of the information, a fast and stable response, as seen in Figure 7, resulting in a high measuring instrument. Reliability, portable, low cost and easy recalibration.
  • Figure 1 represents the block diagram of the invention within the dashed line chart.
  • A.1 is the light excitation element, A.2 the sensor and the photodetector and A.3 the temperature sensor;
  • B.1 is the central processing unit and B.2 is the preprocess of the signal;
  • C.1 is the screen, C.2 the keyboard and C.3 the audible alarm;
  • D.1 corresponds to the power module and D.2 to the timing module;
  • E E.1 is the communications module that connects it to computers and / or modems as represented in the upper part.
  • Figure 3 is a detailed illustration of the side and front views of the photodetector with the sensor film, A, deposited, with B Ia photodetector collecting lens.
  • a 2.20mm
  • b 1.90mm
  • c 1.50mm
  • d 4.00mm
  • e 0.8mm
  • f 1.27mm
  • g 1.27mm
  • h 1.60mm
  • i 2.60mm
  • j 1.27mm
  • Figure 4 is an illustration showing the temporal parameters measured for different phosphorescent emissions in the presence of different analyte concentrations, together with the threshold of the photodetector.
  • the time In the axis of abscissa the time is represented and in that of ordinates the relative light intensity.
  • t 1; t 2 and t 3 represent the time intervals that will be quantified according to the proposed method.
  • Figure 5 is an illustration of all the light signals present in the excitation and detection.
  • Curve A represents the sum of all the intensities collected in the photodetector.
  • Curve B is the intensity detected due to the initial light excitation.
  • Curve C is the intensity detected due to the fluorescence of the sensor film.
  • Curve D is the intensity detected due to the phosphorescence of the sensor film (useful information is found therein).
  • the point F is where the sum of the detected intensities falls below the threshold of the photodetector, E.
  • t M is the time interval that contains the information to be processed.
  • Figure 6 is the representation of the calibration function for the concentration of [O 2 ] as a function of the temperature T and the parameter N ,. With symbols the experimental data are represented and with lines the adjustments of the Proposed calibration curves: A, 38.5 0 C; B 31.5 0 C; C 1 23.5 0 C; D, 15 0 C; and E 6
  • Figure 7 is a representation of the response of the instrument to alternative atmospheres of nitrogen to oxygen, t indicates time

Abstract

INSTRUMENTO PORTÁTIL Y MÉTODO PARA LA MEDIDA DE LA CONCENTRACIÓN DE GASES, concretamente, un sensor para la medida de un analito de interés en un medio. En particular, la invención se refiere a un instrumento basados en atenuación de fosforescencia por parte del analito de interés en gases atmosféricos con sistema de compensación de temperatura y de recalibración con un solo punto. Esta invención presenta un diseño más compacto, una mejor disposición en la alineación y reducción de los componentes optoelectrónicos, una mayor eficacia en la recogida y procesado de la información que algunos otros previamente descritos, resultando en un instrumento de medida de alta fiabilidad, portátil y de bajo coste.

Description

INSTRUMENTO Y MÉTODO PARA LA MEDIDA DE LA CONCENTRACIÓN DE GASES
DESCRIPCIÓN
Sector de Ia técnica
Análisis químicos utilizando procedimientos rápidos.
Estado de Ia técnica
La determinación de gases tiene gran importancia en diversos campos como puede ser medicina, medioambiente, biología, agricultura, seguridad en el trabajo, defensa, transporte o industria, así automovilística, aeroespacial, agroalimentaria o minera.
Existen diferentes tipos de sensores para gases y vapores, así los que se basan en medidas eléctricas como los de semiconductores de óxidos metálicos (MOS)T de amplio "rango de utilización aunque inherentemente no son específicos ni estables; los de conductividad térmica (catarómetro) usados tanto para gases individuales como en mezclas, aunque presentan amplio rango de respuesta aunque no son muy sensible ni selectivos; los de arrollamiento catalítico para mezclas inflamables de gases, son susceptibles de envenenamiento y necesitan del empleo de factores de corrección; los electroquímicos están basados en reacciones químicas, pueden ser mas selectivos que los anteriores aunque presentan problemas relacionados con el alto valor de Ia corriente residual, deriva y lentitud en Ia respuesta. Los sensores de tipo óptico para gases pueden utilizar propiedades intrínsecas como es el caso de dióxido de carbono, metano, dióxido de azufre u otros, basado en su absorción IR y menos frecuentemente en su absorción UV.
Otras estrategias usadas para el desarrollo de sensores para gases se basan en Ia fotoionización mediante radiación UV usadas para Ia detección de vapores orgánicos; el empleo de Ia ionización de llama presenta, por otra parte, una considerable sensibilidad. Los detectores fotoacústicos basados en Ia combinación de radiación IR y sensores de cambios transitorios de presión permiten Ia determinación precisa de concentraciones. El uso de tecnología SAW (Surface Acoustic Wave) esta permitiendo el desarrollo de nuevos tipos de sensores basado en Ia modificación de propiedades de semiconductores por adsorción de moléculas gaseosas.
Un grupo de sensores ópticos de gran interés son los basados en Ia atenuación de luminiscencia de un luminóforo por parte de atenuadores dinámicos como puede ser el oxígeno, dióxido de azufre (T.M.A. Razek, MJ. Miller, S. S. M. Hassan y M.A. Amold, Talanta, 50, 491-498 (1999)), óxidos de nitrógeno (D.Y. Sasaki, S. Singh, J. D. Cox y P. I. Pohl, Sensors Act.B, 72, 51-55 (2001)), halotano, cloruros (C. Huber, T. Werner, O. S. Wolfbeis, D.E. Bell y S. Young, Optical-chemical Sensor, U.S. Patent Application 20020034826, 2003), cloro (S. Kar y M.A. Amold, Talanta, 42, 663-670 (1995)), en este caso mediante atenuación por cloruro originado en disolución, u otros. De todos ellos, los más interesantes y demandados con mucho son los sensores de oxígeno.
Los sensores ópticos de oxígeno se han desarrollado en Ia pasada década y presentan diversas ventajas sobre los electroquímicos, así: pequeño tamaño, bajo precio, respuesta rápida, no consumen oxígeno, pueden realizar detección remota como detección invasiva para medidas in vivo, no necesitan electrodo de referencia ni conexiones eléctricas, están libres de interferencias electromagnéticas, presentan inercia frente a Ia variación de velocidad de flujo y agitación así como a presiones externas altas, no presentan sensibilidad cruzada a dióxido de carbono y ácido sulfhídrico, entre otros, no sufren contaminación en Ia membrana y no se envenenan con facilidad. Los más utilizados son los sensores basados en Ia desactivación de emisión luminiscente, como fluorescencia o fosforescencia, de luminóforos. Este proceso de atenuación de luminiscencia, que es de atenuación dinámica y se da con gran eficacia, obedece Ia ecuación de Stem-Volmer siendo un proceso que no consume oxígeno. Permiten el acoplamiento a fibra óptica, ofreciendo Ia posibilidad de miniaturización del sistema, monitorización remota y multianalito.
Los sensores basados en atenuación de fosforescencia ofrecen ventajas sobre los basados en atenuación de fluorescencia. Así el mayor tiempo de vida de Ia fosforescencia aumenta considerablemente las posibilidades de choques entre las especies reactivas (luminóforo y analito). Por otra parte, Ia señal analítica medida es una emisión fosforescente que presenta bajo nivel de ruido, pues se ha obtenido después de cesar Ia radiación excitante y Ia débil luminiscencia de fondo. Además, en Ia medida de fluorescencia influyen cambios en las características de dispersión o absorción de radiación por parte de Ia muestra. Por ello, los sensores basados en fosforescencia presentan mayor sensibilidad. Por último, Ia gran separación entre estados singletes y tripletes, los altos valores de longitudes de onda de excitación y emisión, y los elevados tiempos de vida permiten el diseño de instrumentación óptica simple y de bajo precio. Los luminóforos más utilizados suelen pertenecer a alguno de los siguientes grupos: a) hidrocarburos aromáticos policíclicos, tales como pireno, ácido pirenobutírico, fluoranteno, difenilantraceno u otros. Son atenuadores eficientes, con tiempos de vida (τ) del orden de 200 ns , aunque presentan el inconveniente de absorber radiación solo en Ia región ultravioleta, Io que supone mayor problema para el diseño de instrumentación. Además el corto tiempo de vida hace que Ia instrumentación sea más compleja y cara; b) Colorantes que absorben a longitud de onda larga, así tripaflavina, benzoflavina, safranina, porfirinas o eritrosina (tiempo de vida (τ): 250 μs). Presentan una absorción y emisión favorables aunque baja fotoestabilidad; c) complejos organometálicos de los que destacan varios grupos, así quelatos de rutenio con ligandos tipo bipiridilo (τ: 0,1 - 7 μs), quelatos de lantánidos (τ: 1 μs - 2 ms) y metaloporfirinas (τ: 20 μs - 1 ms). Aunque presentan diferentes mecanismos de excitación, estos complejos suelen mostrar absorción en el visible, un gran desplazamiento Stokes (150-200 nm) y largos tiempos de vida. De manera general, en estos sensores ópticos el luminóforo se incorpora a una membrana permeable al gas y se mide Ia luminiscencia que muestra esa membrana. El material de membrana tiene una gran importancia determinando tanto Ia permeabilidad del oxígeno como el tiempo de vida del estado excitado del luminóforo (R. Ramamoorthy, P.K. Dutta y S.A. Akbar, J.Mat.Sci., 38, 4271-4282 (2003)); (K.A. Kneas, W. Xu, J.N. Demás y B.A. DeGraff, App.Speα, 51 , 1346-1350 (1997)); (R.E. Slovacek y KJ. Sullivan, Oxygen Sensing Membranes, US 6,074,607, 2000). Se han utilizado diversas estrategias para el desarrollo de sensores de atenuación de luminiscencia; principalmente, los basados en medidas de intensidad y los de tiempo de vida (tiempo resuelto).
Los sensores basados en medida de Ia intensidad de luminiscencia utilizan instrumentación convencional como pueden ser espectrómetros de luminiscencia provistos de: 1) célula de flujo en Ia que se encuentra el luminóforo dispuesto en una membrana o en un sólido particulado (A. Sanz-Medel, R. Pereiro-García, M. E. Diaz-Garcia y Y.M. Liu, Oxygen-quenchable phosphorescent materials and their applications in oxygen sensing, EP 065355, 1994); 2) sistema de fibra óptica en cuyo extremo distal se encuentra dispuesto el luminóforo (T. B. Hirschfeld, Remote multi-position ¡nformation gathering system and method, US 4,577,109 , 1986); (J. Kane, Optical probé for measuring pH and oxygen in blood and employing a composite membrane, US 4,785,814, 1988). Esta instrumentación es de aplicabilidad limitada para el desarrollo de sensores por tamaño y precio. Alternativamente, se ha desarrollado instrumentación portátil de bajo costo basada en medidas de intensidad que usa electrónica de estado sólido (LED, fotodiodos y componentes analógicos y digitales) junto con sonda de fibra óptica, especialmente para medidas de oxígeno disuelto (W. Trettnak, W. Gruber, F. Reininger y I. Klimant, Sensors Act.B, 29, 219-225 (1995)) o con Ia membrana insertada en el circuito para medida en gases (D. Xiao, Y. Mo y M. M. F. Choi, Meas.Sci.Technol., 14, 862-867 (2003)); (D. B. Papkovsky, G. V. Ponomarev, V. Ogurtsov y A.A. Dvornikov, Proc.SPIE, 54-60 (1993)) . Se han patentado diversos sistemas basados en este principio para Ia determinación de oxígeno tanto en gases como en disolución acuosa (CC. Stanley y J. L. Kropp, Apparatus and method for continuously detecting oxygen ¡n a gas stream, US 3,725,658, 1971); (D.W. Lubbers y N. Opitz, Method and arrangement for measuring the concentration of gases, US 4,003,707, 1977); (J. R. Bacon y J. N. Demás, Apparatus for oxygen determination, US 5,030,420, 1991). La atenuación de luminiscencia tiene lugar de acuerdo con la ecuación de Stem- Volmer, siendo necesario medir Ia disminución de intensidad de emisión respecto a Ia intensidad en ausencia de oxígeno I0. Es habitual observar curvaturas en las gráficas de Stern-Volmer que se pueden justificar considerando que existen diferentes tipos de posiciones de atenuación en Ia membrana, pues el polímero matriz no es un medio estructuralmente homogéneo, Io que da como resultado que el luminóforo se inmoviliza heterogéneamente. Para justificar los datos experimentales se usan diferentes modelos, así el de dos posiciones de atenuación o el de multiposición (J. N. Demás y B.A. DeGraff, Sensors Act.B, 11 , 35-41 (1993)); (A. Mills, Sensors Act.B, 51 , 60-68 (1998)).
La medida de esta intensidad en ausencia de oxígeno se puede obtener de diversas formas; así Stevens (B. Stevens, Instrument for determining oxygen quantities by measuring oxygen quenching of fluorescence radiation, US 3,612,866, 1971) Ia obtiene usando dos membranas conteniendo el mismo luminóforo, pireno, permeable a oxígeno Ia una e impermeable Ia otra. Lubbers (D.W. Lubbers y N. Opitz, Method and arrangement for measuring the concentration of gases, US 4,003,707, 1977) y Peterson (J. I. Peterson y R.V. Fitzgerald, Fiber optic pO2 probé, US 4,476,870, 1984) proponen estimar I0 a partir de Ia propia radiación de excitación dispersada. Este sistema presenta una limitación intrínseca pues no tiene en cuenta Ia posible fotodegradación del luminóforo. Una segunda forma de medir Ia concentración de oxígeno es medir la velocidad de decaimiento, para Io que se mide Ia intensidad a diferentes retardos. En el caso de un decaimiento exponencial simple solo serán necesarios dos puntos, mientras que en el caso de que no Io sea, serán necesarios ajustes a exponenciales dobles o multiexponenciales, Io que complica el establecimiento de las funciones de calibrado (G. E. Khalil, M. P. Gouterman y E. Green, Method for measuring oxygen concentration, US 4,810,655, 1989). Esta forma de medida presenta la ventaja de ser menos dependiente de Ia configuración del sensor o variaciones en el camino óptico. Los métodos basados en medidas de intensidad presentan una serie de inconvenientes relacionados con Ia calibración y con Ia estabilidad a largo plazo. Ello es debido a que Ia intensidad de luminiscencia puede venir afectada por cambios en Ia intensidad de Ia fuente luminosa, por variación en Ia eficiencia de transmisión de Ia óptica, por fotooxidación o lixiviación del luminóforo, por fluorescencia intrínseca de Ia muestra o bien por otras características ópticas de la misma. Uno de los principales problemas de los colorantes habitualmente usados es su fotolabilidad, pues Ia radiación electromagnética induce reacciones fotoquímicas que conducen a la descomposición del indicador, reduciendo Ia vida útil del sensor. La fotodescomposición origina una disminución concomitante de Ia señal, Ia fotoderiva.
Las fluctuaciones de intensidad debidas a Ia fuente y a Ia transmisión se pueden corregir utilizando configuraciones de doble haz. Los problemas de fotodescomposición, que dan lugar a deriva, se pueden evitar usando luminóforos más estables y minimizando Ia exposición a Ia luz, bien reduciendo Ia intensidad luminosa de Ia fuente, Ia duración de cada ciclo de medida o bien empleando señales relativas. Se han desarrollado algunos instrumentos disponibles comercialmente para Ia medida de oxigeno basados en dicha medida de intensidad como es el caso de Ocean Optics (Ocean Optics, Theory of operation: oxygen sensor 2001 , http://www.oceanoptics.com/products/foxytheory.asp#how) y Fluorometrix (Fluorometrix, Fluorometrix 2004, http://www.fluorometrics.com/Default.asp), aunque presentan el inconveniente de su alto costo (1700-2500 $), tamaño relativamente grande, sistema sensor complejo y necesidad de un ordenador para el control y adquisición de datos.
Los métodos de tiempo resuelto se han utilizado para tratar de evitar los problemas que presentan las medidas de intensidad, ya que en una primera aproximación el tiempo de vida es independiente tanto de Ia intensidad de radiación de Ia fuente (fluctuaciones, envejecimiento) como de Ia radiación ambiente y de Ia fotooxidación o lixiviación del luminóforo, Io que reduce los requerimientos de los componentes ópticos de Ia instrumentación y precisa una recalibración menos frecuente que los sistemas basados en intensidad. Para las medidas de tiempo resuelto, los dos tipos de métodos mas usados son los que trabajan en el dominio del tiempo o de Ia frecuencia. El tiempo de decaimiento de luminiscencia se puede medir directamente usando una fuente de luz pulsada y detectores de alta velocidad; así es frecuente el empleo combinado de láser, fotomultiplicador y osciloscopio, Io que da lugar a instrumentación de gran tamaño y alto precio, que es poco útil para muchos propósitos. Son mucho más interesantes y utilizados los métodos de modulación de fase dentro de los del dominio de Ia frecuencia. Para ello, se emplea en vez de una fuente pulsada, una fuente de radiación modulada, habitualmente de forma sinusoidal. Como consecuencia, Ia intensidad de emisión luminiscente variará sinusoidalmente a Ia misma frecuencia que la señal de excitación, pero con un desplazamiento de fase relacionado con el tiempo de relajación. La emisión modulada se mide con un detector convencional (fotodiodo o fotomultiplicador) y se analiza con un detector sensible a fase, así un amplificador lock-in. Los métodos de modulación de fase se pueden llevar a cabo de forma univariante o multivariante. En los primeros, se origina el parámetro dependiente de Ia concentración de atenuador cuando se trata Ia muestra con Ia señal de excitación, así podemos medir: 1) desplazamiento de fase a frecuencia de modulación constante; 2) factor de demodulación a frecuencia de modulación constante; 3) frecuencia de modulación a desplazamiento de fase constante ó 4) frecuencia de modulación a factor de demodulación constante.
Las medidas de desplazamiento de fase han sido las mas utilizadas para el diseño de sensores de oxígeno, tanto basados en Ia atenuación de fluorescencia (τ ~ 5 μs) usando LED como fuente luminosa y fotomultiplicador como detector (M. E. Lippitsch, J. Pusterhofer, M. J. P. Leiner y O.S. Wolfbeis, Anal.Chim.Acta, 205, 1-6 (1988)); (G. Holst, T. Kδster, E. Voges y D.W. Lübbers, Sensors Act.B, 29, 231-239 (1995)), como en atenuación de fosforescencia. Aquí el empleo de luminóforos con mayores tiempos de vida (10-100 μs) ha permitido disminuir las frecuencias de modulación necesarias y simplificar el sistema electrónico (uso de LED y fotodiodos) (W. Trettnak, C. KoIIe, F. Reninger, C. Dolezal y P. O'Leary, Sensors Act.B, 35-36, 506-512 (1996)); (C. McDonagh, C. KoIIe, A.K. McEvoy, D.L. Dowling, AA Cafolla, SJ. Cullen y B.D. MacCraith, Sensors Act.B, B74, 124-130 (2001)); (A.E. Colvin, T.E. Phillips, J.A. Miragliotta, R.B. Givens y CB. Bargeron, John Hopkins APL Technical Digest, 17, 377-384 (1996)); (A.E. Colvin, Fluorescence Sensing Device, US 5,910,661 , 1999). También se ha propuesto utilizar como parámetro analítico Ia frecuencia de modulación de forma que el desplazamiento de fase se mantenga constante a 45° (J. N. Dukes, W.F.Jr. Carlsen y RJ. Pittaro, Exponential decay time constant measurement using frequency of offset phase- locked loop: system and method, US 4,716,363 , 1987). Ha sido desarrollado un sistema comercial para Ia determinación de oxígeno basado en medidas de frecuencia de modulación (J.D.S. Danielson, Sensing device and method for measuring emission time delay during irradiation of targeted samples, US 6,157,037 2000); (PhotoSense LLC, Optical Oxygen Sensor 2004, http://www.photosense.com/products.html).
El empleo de técnicas de demodulación de fase presenta el problema de Ia gran influencia que ejerce Ia radiación de fondo, el cual se ha obviado midiendo Ia amplitud de Ia señal a dos frecuencias de modulación diferentes (D. Andrzejewski, I. Klimant y H. Podbielska, Sensors Act.B, 84, 160-166 (2002)). En los sistemas multivariantes, Ia señal de excitación contiene un amplio rango de frecuencias y es el desplazamiento de fase o bien el factor de demodulación a diversas frecuencias Io que se emplea para Ia determinación del analito, previa deconvolución de Ia señal obtenida (RJ. Alcalá, Biomedical fiber optic probé with frequency domain signal processing, EP 442276, 1991); (J. G. Bentsen, Emission quenching sensors, US 5,518,694 , 1996). Este tipo de sensores multivariantes presentan el inconveniente de Ia mayor complejidad de los sistemas de excitación y detección. Al objeto de evitar los problemas que suelen presentar los sensores de atenuación de luminiscencia debido a fluctuaciones o bien deriva de Ia señal por cambios en Ia intensidad de Ia fuente luminosa, variación en Ia eficiencia de transmisión de Ia óptica, fotooxidación o lixiviación del luminóforo, fluorescencia intrínseca de Ia muestra o bien por otras características ópticas de Ia misma, se han usado diversas estrategias. Uno de los problemas más importantes Io origina Ia fotooxídación del luminóforo, pues afecta a las intensidades de emisión ya que los parámetros de tiempo de vida no se modifican al no emitir radiación los fotoproductos y no inducirse cambios en el microambiente del luminóforo. Una de las soluciones utilizadas consiste en el empleo de señales relativas en vez de absolutas, para Io cual se emplea una molécula de referencia. La molécula de referencia puede ser el propio luminóforo, pues algunas moléculas poseen bandas de emisión que muestran diferente, poca o ninguna atenuación por oxígeno, con Io que el cociente de señales es escasamente dependiente de Ia fotodescomposición de Ia molécula. Así, se han utilizado con luminóforos tipo hidrocarburo aromático policíclico (G. Alien, H. K. Hui y A. Gottlieb, Method and material for measurement of oxygen concentration, US 5,094,959, 2004); (S. M. Klainer y K. Goswami, Method of self-compensating a fiber optic chemical sensor, US 5,094,958, 1992); (E. D. Lee, T.C. Werner y W.R. Seitz, Anal.Chem., 59, 279-283 (1987)). La limitación que presenta este sistema es que no sirve para otros luminóforos de amplio uso como son los complejos organometálicos de transición que no muestran ninguna banda que sea poco atenuable por oxígeno. Una alternativa propuesta por Kostov y Rao (Y. Kostov y G. Rao, Sensors Act.B, 90, 139-142 (2003)) es emplear sustancias que tienen Ia propiedad de emitir simultáneamente fluorescencia y fosforescencia y aprovechan que Ia atenuación del estado tríplete depende en gran medida de Ia concentración de oxígeno, mientras que Ia intensidad singlete apenas se ve afectada. El sistema de cociente de ambas señales Io usan tanto con intensidades como con tiempos de vida, usando técnicas en el dominio de Ia frecuencia, y también con medidas de polarización de fluorescencia.
Un segundo grupo de sistemas propone emplear moléculas de referencia distintas de las indicadoras (luminóforo), que cumplan Ia condición de ser insensibles al ambiente y que fotodescompongan a Ia misma velocidad que el luminóforo, aunque esto último es Io más difícil y supone una de las limitaciones de estos sistemas. Así Kane et al. (J. Kane, R. Martin y A. Perkovich, Ratiometric fiuorescence method of making for measuring oxygen, US 5,728,422 , 1998) proponen usar complejos de rutenio-fenantrolina como indicador luminóforo y derivados del perileno como indicador de referencia ya que cumplen Ia condición de que Ia constante de Stern- Volmer, KSv, de este último es <5% de Ia del luminóforo y con máximos de emisión diferenciados. Hauenstein et al. (B. L. Hauenstein, R. Picerno, H. G. Brittain y J. R. Néstor, Luminescent oxygen sensor based on a lanthanide complex, US 4,861 ,727, 1989) emplean cociente de señales procedentes de una membrana conteniendo dos complejos de lantánidos con bases de Schiff o β-dicetonas de los que uno muestra fosforescencia atenuable por oxígeno y el otro no, planteamiento muy similar al usado por Néstor et al. (J. R. Néstor, J. D. Schiff y B. H. Priest, Excitation and detection apparatus for remote sensor connected by optical fiber, US 4,900,933, 1990). Xu et al. (H. Xu, J.W. Aylott, R. Kopelman, TJ. Miller y M.A. Philbert, Anal.Chem., 73, 4124-4133 (2001)) utilizan un planteamiento parecido encapsulando en nanopartículas un luminóforo sensible a oxígeno, un complejo de rutenio-fenantrolina, y un colorante fluorescente insensible, Oregon Green 488. También se han inmovilizado conjuntamente parejas de indicadores fluorescente (referencia) y fosforescente (H. Xu, J.W. Aylott, R. Kopelman, TJ. Miller y M.A. Philbert, Anal.Chem., 73, 4124-4133 (2001)). El problema que presentan estos procedimientos es que suele haber variaciones en Ia velocidad de fotodescomposición de ambas moléculas, Io que los hace poco útiles. Cuando Ia proximidad de las longitudes de onda de excitación y emisión supone un problema, se ha propuesto el empleo de mezclas de indicadores capaces de transferir energía de uno a otro (CC. Nagel, J. G. Bentsen, M. Yafuso, A.R. Katritzky, J. L. Dektar y CA. Kipke, Sensors and methods for sensing, US 5,498,549 , 1996). Otra estrategia usada para reducir el problema de Ia fotoderiva debida a procesos de fotooxidación del luminóforo, es el empleo de aditivos estabilizantes. El producto más abundante originado en el proceso de atenuación de luminiscencia por oxígeno es el oxígeno singlete, especie muy reactiva que puede provocar Ia fotooxidación de luminóforos. El empleo de diferentes procedimientos para eliminar, por reacción química, o desactivar, por atenuación física, el oxígeno singlete es un procedimiento muy efectivo para proteger polímeros y luminóforos de fotooxidación. Un sistema muy utilizado es Ia adición de aminas terciarias (R. S. Atkinson, D. R. G. Brimage, R.S. Davidson y E. Gray, J.C.S.Perkin, 960-964 (1973)) y especialmente el 1 ,4-diazabiciclo[2,2,2] octano (DABCO) (P. Hartmann y MJ. P. Leiner, Optochemical sensor, US 6,254,829, 2001).
- No-obstante todo Io dicho; Ia fotoderiva no es eí único problema que se presenta en estos sensores, pues el frecuente empleo de fibra óptica origina como antes se ha indicado problemas de pérdida de señal. Se han usado diversos procedimientos para compensar éstas pérdidas. Lo et al. (K. P. Lo, Loss compensation using digital- signal processing in fiber-optic fluorescence sensors, US 6,207,961 , 2001) emplean una señal modulada que tras excitar Ia fluorescencia regresa al sistema y es comparada con Ia señal fluorescente originada. De esta manera, se compensan posibles pérdidas y con el uso de técnicas de modulación-demodulación se elimina Ia luz ambiente.
Es bien conocido que Ia temperatura afecta a Ia intensidad de luminiscencia y al tiempo de vida del estado excitado. Tanto Ia frecuencia de colisiones entre el analito y el luminóforo como el coeficiente de difusión del analito están influenciados por Ia temperatura; cuanto mayor sea el número de colisiones mayor será Ia desactivación no radiante y, por tanto, menor será Ia luminiscencia emitida por el luminóforo (W. Trettnak Optical Sensors Based on Fluorescence Quenching in Fluorescence Spectroscopy - New Methods and Applications, ed. O.S. Wolfbeis, Springer, Berlín, 1993). En consecuencia, la variación de temperatura provoca Ia modificación de Ia pendiente de Ia función de calibrado. Se han empleado diversas soluciones para compensar el efecto de Ia temperatura. Frecuentemente se han utilizado tanto instrumentos de sobremesa como portátiles termostatados (W. Trettnak, W. Gruber, F. Reininger y I. Klimant, Sensors Act.B, 29, 219-225 (1995)); (D.W. Lubbers y N. Opitz, Method and arrangement for measuring the concentration of gases, US 4,003,707, 1977). En diversas ocasiones se ha estudiado Ia dependencia de Ia temperatura, así los estudios realizados por Demás et al. (J. N. Demás y B.A. DeGraff, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, Proc.SPIE Chemical, Biochemical, and Environmental Fiber Sensors IV, 71-75 (1993)) ; (J. N. Demás y B.A. DeGraff, Sensors Act.B, 11 , 35-41 (1993)), aunque estos autores no indican como es posible corregir dicha influencia. Se han usado dos tipos de soluciones; a) mediante medida óptica de temperatura usando emisiones de luminiscencia insensibles al oxígeno, pero altamente dependientes de Ia temperatura, bien de complejos quelatos o de materiales inorgánicos (I. Klimant y G. Holst, Optical temperature sensors and optical-chemical sensors with optical temperature compensation, US 6,303,386, 2001); b) mediante medida eléctrica de Ia temperatura y modelado de Ia dependencia de ésta para establecer su corrección. Así Colvin (A. E. Colvin, T.E. Phillips, J.A. Miragliotta, R. B. Givens y CB. Bargeron, John Hopkins APL Technical Digest, 17, 377-384 (1996)) establece los coeficientes de variación entre 23 y 330C y propone Ia corrección aplicando dichos coeficientes. En otra ocasión (Ocean Optics FOXY Fiber Optic Oxygen Sensor System Manual, 2002) se establece y modela Ia dependencia con Ia temperatura en un intervalo más amplio (0-750C) sugiriendo que cuando se obedece Ia ecuación de Stern-Volmer tanto Ia intensidad inicial como la constante de Stern-Volmer muestran una dependencia cuadrática con Ia temperatura, Io que obliga a conocer 6 constantes de proporcionalidad. En el caso de que Ia relación de Stern-Volmer presente curvatura y se use una ecuación de segundo orden, tanto Ia intensidad inicial como Ia primera y segunda constante dependerán de Ia temperatura de forma cuadrática, Io que obliga a establecer y emplear nueve constantes de proporcionalidad.
Es de gran interés el desarrollo de instrumentación portátil y autónoma que permita Ia calibración con un solo punto y corrija Ia influencia de Ia temperatura. Las curvas de calibración representan Ia expresión matemática, o Ia tabla de valores, que permite calcular Ia concentración de analito a partir de Ia información detectada por Ia zona sensora y Ia temperatura (ésta última en los casos de sistemas con corrección térmica). Típicamente, se requieren los procedimientos de calibración del sensor en dos puntos y Ia recalibración. La calibración inicial se realiza tras el montaje del sensor o inmediatamente de su primer uso. La recalibración se precisa habitualmente durante la vida útil del sensor para mantener el grado de exactitud requerido en las medidas. La calibración habitual en sensores de atenuación utiliza Ia ecuación de Stem-Volmer y precisa de Ia determinación de Ia señal, intensidad o tiempos de vida, tanto en ausencia como en presencia de diferentes concentraciones conocidas de analito. Es frecuente el empleo de calibraciones con dos o tres puntos, de los que uno de ellos es en ausencia de analito (J. I. Peterson y R.V. Fitzgerald, Fiber optic pθ2 probé, US 4,476,870, 1984). Se han utilizado diversos procedimientos para lograr Ia calibración con un punto, tanto usando medidas de tiempos de vida (J. G. Bentsen, Emission quenching sensors, US 5,518,694 , 1996) como de intensidad; así Choi y Xiao (M. M. F. Choi y X. Dan, Analyst, 124, 695-698 (1999)) proponen una modificación de Ia ecuación de Stern-Volmer que permite Ia calibración con un punto al no ser esencial el valor de I0. Sin embargo, todos estos sistemas operan a temperatura constante y Io habitual, salvo para aplicaciones concretas, como Ia medida de oxígeno en sangre "in vivo", es que pueda variar Ia temperatura de Ia muestra.
Si se desea corregir los efectos térmicos será necesario establecer Ia función de calibración para diferentes temperaturas. Este procedimiento que es necesario para evaluar Ia respuesta al ensayar distintos compuestos luminiscentes no es deseable cuando, una vez caracterizado un determinado sensor y construida su curva de calibración, se utiliza dentro de un sistema de medida. Por tanto, un instrumento de medida que permita Ia recalibración más sencilla posible, en un solo punto, sería muy deseable. Explicación de Ia invención:
Objeto de Ia invención
La invención se refiere a un instrumento portátil y un procedimiento para Ia medida de Ia concentración de un analito gaseoso en un medio gaseoso, basado en
Ia atenuación que dicho analito produce en Ia emisión fosforescente de un luminóforo, con compensación de los efectos de Ia temperatura. El instrumento se puede configurar para permitir recalibración con un solo punto. Objetivos primordiales de esta invención han sido diseñar un instrumento autónomo de altas prestaciones, respuesta estable, bajo peso y dimensiones y bajo consumo de energía.
Resumen de /a invención
Esquemáticamente, las características técnicas y funcionales de Ia invención en Ia zona sensora del instrumento son: a) Fuente de luz de características adecuadas, por ejemplo un diodo emisor de luz, para Ia excitación de Ia fosforescencia del luminóforo. b) Un fotodetector que genera una señal de salida binaria, es decir, caracterizada por dos niveles de tensión, dependiendo de que Ia intensidad de Ia emisión fosforescente mencionada que reciba éste, esté por encima o no de un cierto umbral. Este dispositivo está situado a pocos milímetros de Ia fuente de excitación mencionada. c) Una película sensora conteniendo las sustancias necesarias para producir una señal luminiscente estable en el tiempo y dependiente de Ia concentración de analito. Dicha película, que es permeable al analito, se dispone en contacto con Ia cara activa (lente colectora) del fotodetector mencionado de forma que Ia emisión por el indicador fosforescente dependa de Ia concentración de dicho analito en ia película. Si fuera necesario podría incluirse en esta película un compuesto fotoestabilizante que redujese Ia fotoderiva de Ia emisión fosforescente del indicador tras sucesivas excitaciones luminosas. d) Un sensor de temperatura situado a pocos milímetros del conjunto película película sensora-fotodetector. El procedimiento de medida se resume en:
1. Toma del valor de Ia temperatura para su uso posterior en Ia superficie de calibración para Ia obtención de Ia concentración de analito.
2. Excitación luminosa, recibiendo una respuesta del fotodetector en estado alto durante un cierto período de tiempo en el cual Ia intensidad de Ia fosforescencia está por encima de un cierto valor (umbral).
3. Conversión a un valor numérico del mencionado tiempo de vida de Ia emisión fosforescente por encima del umbral en dos fases: a. Conversión a una señal de alta frecuencia. b. Conversión del tren de pulsos de alta frecuencia al valor numérico correspondiente mediante un contador digital.
4. Realización de sucesivas mediciones con un posterior promediado de los valores obtenidos para minimizar Ia posible fluctuación de Ia medida debida, sobre todo, a los elementos optoelectrónicos, con Ia consiguiente mejora de Ia relación señal-ruido del instrumento.
La instrumentación resultante de esta invención permite Ia recalibración con un solo punto, necesitando Ia simple exposición a una atmósfera de composición conocida,. como puede ser al- aire libre, sin exigir Ia preparación de mezclas de composición conocida en el laboratorio. Este procedimiento permite reconstruir Ia superficie de calibración que incluye, y por tanto corrige, Ia influencia de Ia temperatura sobre Ia atenuación de luminiscencia.
Esta invención presenta un diseño más compacto, una mejor disposición en Ia alineación y reducción de los componentes optoelectrónicos, una mayor eficacia en Ia recogida y procesado de Ia información que algunos otros previamente descritos, resultando en un instrumento de medida de alta fiabilidad, portátil y de bajo coste.
Descripción detallada de /a invención
De acuerdo con Ia figura 1 , el instrumento está compuesto de los siguientes subsistemas: a. Subsistema excitador/sensor/detector ópticos y sensor de temperatura. Este bloque comprende los componentes para Ia excitación de Ia fosforescencia, Ia película sensora que contiene el indicador luminiscente o iuminóforo con el fotoestabilizante (si fuera necesario), el dispositivo fotodetector que convierte Ia señal luminosa en una señal eléctrica y el sensor de temperatura. b. Subsistema basado en microcontrolador para el procesamiento de Ia señal y el control del instrumento. Es decir, componentes electrónicos para Ia conversión analógica-digital, el procesado digital, control de Ia zona de excitación/detección, control de las distintas ¡nterfases del usuario y gestión de Ia alimentación. Este subsistema preferiblemente incluye memoria para almacenar Ia información relativa a Ia función de calibración que permite calcular Ia concentración de analito a partir de Ia temperatura y de Ia información detectada en Ia zona sensora. c. Subsistemas accesorios de temporización y alimentación autónoma: osciladores, regulación de tensión y baterías de alimentación. d. Subsistema de ¡nterfases con el usuario, comprendiendo pantalla, teclado y alarma sonora, e. Subsistema para comunicación con otros dispositivos, como por ejemplo, ordenadores personales, dispositivos modem o teléfonos móviles.
En Ia figura 2 se muestra Ia vista lateral de Ia disposición de los componentes del subsistema de excitación y detección óptica: fuente de luz y fotodetector. En Ia detección de Ia señal fosforescente procedente de un Iuminóforo, es necesaria Ia excitación luminosa previa de Ia sustancia y algún dispositivo transductor que convierta Ia señal luminosa procedente del Iuminóforo en una señal procesable, normalmente de tipo eléctrico. En esta invención, Ia fuente luminosa es un diodo emisor de luz, LED, u otra fuente alternativa que cumpla las condiciones de longitud de onda adecuada para excitar Ia fosforescencia, tamaño reducido y bajo consumo.
El tamaño de este conjunto, que se puede diseñar para ser sustituido cuando sea necesario, podría ser de 16 mm de largo, 5 mm de alto y 8 mm de ancho.
Una de las aportaciones de Ia presente invención radica en Ia disposición de Ia película sensora respecto al dispositivo fotodetector. A diferencia de referencias previas, en este instrumento Ia mencionada mezcla se dispone en forma de película directamente sobre Ia superficie activa (lente colectora) del dispositivo fotodetector, sin filtro intermedio, tal y como se muestra en Ia figura 3. La forma de situar dicha película puede ser variada, por ejemplo, se puede realizar por inmersión del fotodetector en una disolución conteniendo los reactivos apropiados además de Ia sustancia sensora o por deposición de un volumen del orden de microlitros sobre el mismo con secado posterior, en ambos casos, o se puede depositar a vacío sobre el fotodetector o mediante cualquier otro procedimiento existente en Ia técnica. Con este contacto íntimo entre luminóforo y fotodetector se logran las siguientes ventajas: i) No existe Ia necesidad de disponer filtros ópticos entre ambos sistemas, ¡i) no se requieren sistemas de alineación de los componentes optoelectrónicos, ni focalización o colimación de Ia señal luminosa, iii) Ia señal fosforescente se recoge con eficiencia máxima por el fotodetector, con Io cual se puede excitar Ia sustancia sensora con una intensidad menor a efectos de evitar su posible fotodegradación. Todo Io anterior posibilita un subsistema sensor/detector robusto, ligero, de pequeñas dimensiones y de fácil reemplazo, en caso necesario, tal y como se muestra en Ia figura 2. La reducción de costes de Ia zona sensora por requerirse solo una pequeña cantidad de luminóforo, es evidente frente a Ia opción habitual de utilizar una membrana independiente y separada del fotodetector.
Junto a este conjunto, se dispone un sensor de temperatura con salida digital directa cuya lectura se usará en el procesado de Ia información para Ia corrección de sus efectos en Ia emisión luminiscente del sensor.
El procesamiento de Ia información procedente de Ia zona sensora tanto óptica como de temperatura está controlado y realizado por una unidad central de proceso, tarea asumible por un microprocesador o un microcontrolador. Este componente, junto con sus elementos accesorios de temporización, sincroniza además todos los elementos del instrumento, manteniendo el control del tiempo e intensidad de Ia excitación luminosa así como de los diferentes subsistemas de interfase y comunicaciones y Ia gestión de Ia alimentación.
Otra aportación de Ia presente invención consiste en el procedimiento de medida de Ia señal fosforescente. El método usado se diferencia claramente de los anteriormente propuestos, expuestos previamente en el apartado del estado de Ia técnica en esta materia. La novedad parte del uso de un fotodetector con salida binaria cuyo valor depende de que Ia intensidad luminosa recibida, esté por encima o por debajo de un umbral determinado. De manera, que al comenzar Ia emisión fosforescente, la intensidad luminosa se mantiene por encima de dicho umbral, produciendo una salida en estado alto del dispositivo fotodetector. Cuando decae Ia misma y rebasa el umbral fijado, se produce Ia transición de Ia salida del mencionado fotodetector a estado bajo con un retardo de pocos microsegundos. Es decir, con esta disposición, a Ia salida del fotodetector, tenemos una señal en estado alto hasta que Ia intensidad fosforescente decae por debajo un determinado umbral de luminosidad. El comienzo de Ia mencionada señal en estado alto se fija cuando cesa Ia alimentación al diodo emisor de luz mediante los circuitos lógicos adecuados y las señales de control de Ia unidad central de proceso. Por tanto, no se trata de una medida de Ia intensidad o del tiempo de vida de Ia emisión, ni de Ia integración de Ia corriente producida por los fotodetectores convencionales al ser excitados con una señal luminosa, sino de un parámetro temporal en el que intervienen ambas características de Ia emisión luminosa. En Ia figura 4 se muestra Ia conversión de Ia información en Ia duración de un pulso eléctrico. En dicha figura se observan varios decaimientos de emisiones fosforescentes debido a diferentes concentraciones de analito. Por razón de esta forma de realizar Ia medida, el luminóforo que se utilice en Ia presente invención debe cumplir con las condiciones habituales en -sensores de atenuación (permeabilidad a oxígeno, solubilidad del luminóforo, estabilidad y adecuadas propiedades mecánicas y ópticas) siendo de especial interés que presente altos valores de vida media, junto con excitación de luminiscencia en el visible y suficiente fotoestabilidad.
Resumiendo, Ia información de Ia concentración del analito viene contenida en Ia duración en estado alto de Ia señal digital mencionada. La inmunidad al ruido electrónico y a Ia interferencia de esta forma de obtener y procesar Ia información, mejora los procedimientos anteriores. Tal y como se muestra en Ia figura 5, al no obtener Ia información por integración de Ia corriente producida en un fotodetector convencional, y dada Ia alta velocidad de respuesta de los componentes de Ia zona excitadora/detectora, las posibles interferencias debidas a Ia propia señal de excitación y a Ia posible fluorescencia del luminóforo, no influyen en el resultado. Estos fenómenos ¡nterferentes ocurren en los primeros instantes de Ia emisión fosforescente cuando Ia intensidad luminosa está muy por encima del umbral establecido para Ia conmutación de Ia salida del fotodetector. La conversión analógica-digital de Ia señal procedente del fotodetector es directa, sencilla y con posibilidad de conseguir alta resolución. Una posibilidad sería multiplicar esa señal por una señal periódica de alta frecuencia y contar los ciclos del resultado con un contador digital. El resultado de esta cuantificación N| será el valor numérico correspondiente al tiempo medido desde el comienzo de Ia emisión fosforescente hasta que ésta decaiga por debajo de un umbral determinado.
Además, Ia relación señal ruido de esta adquisición se mejora repitiendo el proceso de medida y realizando el promediado digital en el microcontrolador. Este valor promediado junto con Ia lectura digital del sensor de temperatura se procesan en el microcontrolador, introduciéndolos en Ia superficie de calibración previamente caracterizada y almacenada, Io que da como resultado Ia concentración del analito que produce Ia atenuación de luminiscencia.
La inmunidad al ruido y a las interferencias inherentes a este diseño y Ia mejora de Ia relación señal-ruido mediante promediado, hace posible que en este instrumento no sea necesario un segundo canal de referencia luminosa para reducir las desviaciones en Ia medida que provocan las posibles fluctuaciones de las características de los componentes optoelectrónicos: fuente de luz y fotodetector.
En Ia obtención final de Ia concentración de analito, es necesaria Ia inclusión de una función de calibración de donde se extraiga dicha concentración a partir de los valores numéricos asociados a Ia fosforescencia con el procedimiento anteriormente mencionado y a Ia temperatura de adquisición. Dicha función se podría almacenar en Ia memoria de Ia unidad central de proceso.
Una posible realización de Ia función de calibración puede ser a través de Ia superficie de calibración siguiente: [A] = ao + a1T + a2Nf1/2 + a3TNf1/2 + a4T2Nf1/2 donde [A] es Ia concentración de analito, T es Ia temperatura, N1 el valor numérico asociado a Ia fosforescencia y a0, a^ a2, a3 y a4 son coeficientes reales.
El proceso de calibración inicial consiste en Ia determinación experimental de dichos coeficientes. La recalibración supone Ia corrección de Ia función de calibración mediante el reajuste de los coeficientes a, (i = 0..4) durante Ia vida útil del sensor, manteniéndose dentro de las especificaciones inicialmente establecidas. La complejidad de dicha recalibración dependerá de cuantos de los mencionados coeficientes sean independientes entre sí. En el caso de que Ia dependencia sea de Ia forma ai=f|(a0), a2=f2(ao),
Figure imgf000020_0001
el proceso de recalibración del instrumento de medida se podrá realizar en un solo punto. Por tanto, Ia concentración de analito [A] será función en definitiva de a0, T y N|.
Es decir, con unas condiciones controladas de concentración de analito y temperatura, y con una sola adquisición, se podrá reconstruir Ia superficie de calibración arriba expresada a partir del cálculo de a0, con Io que el instrumento estará preparado para su uso con las prestaciones indicadas y en los rangos determinados. En otros casos menos favorables, sería necesario exponer el instrumento a tantas mezclas gaseosas de composición conocida como coeficientes independientes se hubiesen hallado durante el proceso de determinación de los mismos.
La recalibración mediante un punto presenta ventajas adicionales como son: i) facilidad de procedimiento, ii) no es necesario usar un laboratorio para calibración, iii) corrección sucesiva de fotoderiva mediante un protocolo de recalibraciones periódicas, iv) independencia del resultado de condiciones ambientales tales como presión o humedad, mediante recalibración cuando haya modificación de esas condiciones.
La interfase con el usuario comprende Ia salida a través de pantalla de cristal líquido (LCD) de Ia concentración de analito y Ia temperatura, además de Ia activación de una alarma sonora cuando dicha concentración sobrepase determinados márgenes preestablecidos. Para mejorar Ia versatilidad del instrumento de medida se Ie podría dotar de una botonera para que el usuario pueda elegir el tiempo entre adquisiciones, por ejemplo se podría elegir entre modo de adquisición casi continuo, otro modo de adquisición intermitente o modo de adquisición inmediato. El microcontrolador se encarga de situar al instrumento en modo de muy bajo consumo cuando no esté realizando ninguna medida, con el objeto de alargar Ia vida de las baterías.
El instrumento se completa con una interfase para Ia conexión de dispositivos compatibles, como ordenadores personales o módem. Un posible soporte es el estándar de comunicación serie entre equipos, RS232. Esta Ia comunicación permite Ia reconfiguracíón del instrumento medíante Ia variación de dicha superficie de calibración, así como Ia modificación de las condiciones de medida, mediante Ia reprogramación del microcontrolador o unidad central de proceso.
A continuación se describe una posible realización de esta invención para Ia determinación de Ia concentración de oxígeno que demuestra Ia validez del presente invento.
EJEMPLO: Medida de concentración de oxígeno en aire.
Esta invención se ha aplicado a Ia medida de oxígeno gaseoso en aire. Considerando las condiciones que debe cumplir el luminóforo para este caso concreto, se pueden emplear diferentes complejos de rutenio con ligandos tipo fenantrolina y bipiridilo, colorantes orgánicos como Ia eritrosina, quelatos de lantánidos, principalmente de europio y terbio, metaloporfirinas como: platino (II) octaetilporfirina, paladio (II) octaetilporfirina, platino (II) octaetilporfirincetona, paladio (II) octaetilporfirincetona o platino (II) tetrapentafluorofenilporfirina, destacando Ia platino (II) octaetilporfirina por su alto tiempo de vida, su buena fotoestabilidad en presencia de estabilizantes adecuados, alta sensibilidad a oxígeno, disponibilidad y precio.
Como polímero de membrana se pueden emplear polímeros que presenten suficiente permeabilidad a oxígeno y buenas propiedades ópticas y mecánicas, entre los que se encuentran cloruro de polivinilo, poliestireno, silíconas o fluorometacrilatos, entre otros, plastificados cuando sea necesario. Como estabilizante se pueden usar diversas aminas terciarias, así por ejemplo Ia 1 ,4- diazabiciclo[2,2,2] octano (DABCO). En concreto, una realización para Ia preparación del fotodetector recubierto consiste en Ia deposición sobre él de una película compuesta por distintas sustancias químicas en cantidades comprendidas en los intervalos: 0,075-2,25 μg de poliestireno, 1 ,6-9,9 μg de complejo platino (II) octaetilporfirina y 2,5-22,5 μg de DABCO. Para ello, se depositaron volúmenes comprendidos entre 5 y 15 μl de una disolución en tetrahidrofurano recién destilado, de los anteriores productos químicos, con posterior secado en atmósfera saturada de tetrahidrofurano, durante al menos 24 horas. Dadas las características de Ia película sensora usada en este ejemplo, se utilizó para Ia excitación luminosa un diodo emisor de luz ultrabrillante con el máximo de emisión en 525 nm y una intensidad máxima de 1000 mcd. El fotodetector proporciona dos salidas: una a 0 V y otra a 5 V dependiendo de si Ia intensidad recibida está por debajo o por encima de un umbral, siendo por tanto directamente conectable a los circuitos digitales posteriores. El tiempo de transición típico entre los estados alto y bajo de Ia salida del mencionado detector es de 3 μs.
. El procesado de Ia información y el control de todos los periféricos Io realiza un microcontrolador de gama media. La adquisición consta de los siguientes pasos:
1. Se adquiere Ia temperatura con un sensor con salida digital directa y se almacena en Ia unidad central.
2. Iluminación previa del sensor sin medida de Ia salida del fotodetector, para que se estabilice Ia respuesta de toda Ia etapa optoelectrónica. 3. A continuación, se ilumina el sensor con una señal luminosa pulsada de frecuencia 2000 Hz durante 1 segundo, promediando el resultado de estas 2000 medidas. Para cada una de esas medidas, Ia señal de salida del fotodetector en estado alto con Ia duración del intervalo temporal desde que cesa Ia excitación luminosa hasta que se rebasa el umbral, se multiplica por Ia señal de reloj de 4 MHz que sincroniza
Ia unidad central. Un contador de Ia propia unidad central realiza Ia cuantificación y Ia almacena.
4. Ambos datos de temperatura y duración promedio de Ia fosforescencia se introducen en Ia curva de calibración, previamente caracterizada, y se presentan los resultados.
Con esta realización y durante el cálculo de Ia superficie de calibración del instrumento descrita anteriormente:
[O2] = a0 + a1T + a2Nf1 / 2 + a3TNf 1 /2 +a4T2Nf 1 / 2 se obtienen curvas experimentales como las mostradas en Ia figura 6, donde Ia temperatura viene expresada en grados Celsius.
En este caso, todos los coeficientes se pueden poner como funciones lineales de a0, con Io que se puede realizar Ia recalibración del instrumento en un solo punto, ya que Ia concentración de oxígeno es una función exclusiva de a0, T y N|. Por tanto, con un solo punto de concentración conocida de oxígeno se puede reconstruir Ia mencionada superficie de calibración. Las relaciones entre los coeficientes obtenidas al caracterizar 10 sensores fabricados de Ia manera arriba indicada son: a., = -7.69-1O'3-ao + 1.7-1O-2 a2 = -5.03-102-a0 - 8.45-102 a3 = 6.04 a0 + 1.78-101 a4 = -2.08-10"2-a0 - 1.04-10'1 Es decir, a concentración ambiente de oxígeno, [O2]= 21 ,0 %, midiendo Ia temperatura T con el sensor térmico y cuantificando Ia emisión fosforescente de Ia forma indicada N], se calcula en Ia unidad de proceso a0, y a partir de él se reconstruye Ia superficie de calibración. Las ventajas de este procedimiento de recalibración son evidentes: a. Recalibración del instrumento fuera de condiciones de laboratorio, como por ejemplo podría ser ai aire libre. Esto incide en un fácil manejo por personal sin apenas entrenamiento previo. b. Reajuste periódico de-la superficie de calibración para ir corrigiendo los efectos de Ia fotodegradación del luminóforo, minimizada por el uso del fotoestabilizante, Io que alarga considerablemente Ia vida de
Ia película sensora dentro de las especificaciones. c. Independencia de Ia medida de Ia concentración de oxígeno de las condiciones ambientales tales como presión o humedad, mediante recalibración cuando haya modificación en alguna de ellas. De entre gases potencialmente concomitantes con el oxígeno como pueden ser gases combustibles como el metano, corrosivos como el dióxido de azufre y el ácido sulfhídrico, anestésicos como el protóxido de nitrógeno o inocuos como el dióxido de carbono, el único gas que es un notable interferente es el dióxido de azufre, debido a que, como es conocido (J. R. Bacon y J. N. Demás, Anal.Chem., 59, 2780-2785 (1987)), también actúa como atenuador de fosforescencia (tabla 1).
Tabla 1. Porcentaje de gas que origina una interferencia >3% en concentración para una mezcla del 21% en oxígeno.
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* Concentración máxima ensayada Las especificaciones conseguidas para esta realización en particular son:
• Rango de temperaturas: -100C a 5O0C.
• Rango de concentración de O2: 0 a 30 %. • Consumo: 1 ,75 mA.
• Resolución: 0,2% en concentración.
• Exactitud: 3% de Ia medida.
• Tiempo de respuesta: < 30 s (10%-90% rango total).
• Derivas: <0,01% en concentración/día (sin recalibración). • Dimensiones y peso (HxLxW): 28mm x 110mm x 66mm. 95 g (sin batería).
• Modo de recalibración por un punto.
• Modos de operación: o Medida cada minuto. o Medida cada 10 minutos. o Medida instantánea al presionar un botón.
• Alarma sonora (inhibible presionando un botón) por debajo de un umbral preestablecido de concentración de O2.
• Puerto de conexión RS232.
Esta realización presenta un diseño compacto, una notable reducción de Ia zona sensora, una gran eficacia en Ia recogida y procesado de Ia información, una respuesta rápida y estable, tal como se aprecia en Ia figura 7, resultando en un instrumento de medida de alta fiabilidad, portátil, de bajo coste y de fácil recalibración.
Breve descripción de las figuras.
La figura 1 representa el diagrama de bloques de Ia invención dentro del cuadro de líneas discontinuas. En el bloque o subsistema A, A.1 es el elemento de excitación luminosa, A.2 el sensor y el fotodetector y A.3 el sensor de temperatura; en el subsistema B.1 es Ia unidad central de proceso y B.2 el preproceso de Ia señal; en el subsistema C, C.1 es Ia pantalla, C.2 el teclado y C.3 Ia alarma sonora; en el subsistema D, D.1 corresponde al módulo de alimentación y el D.2 al de temporización; y el en subsistema E, E.1 es el módulo de comunicaciones que Io conecta con ordenadores y/o modems como se representa en Ia parte superior.
La figura 2 es una ilustración esquemática de Ia vista lateral de Ia zona de excitación y detección óptica, donde A es Ia fuente de excitación luminosa, B es Ia película sensora y C el fotodetector. Las medidas de los elementos, así como las distancias entre ellos están indicadas por a = 4.50mm, b= 4.80mm y c=17.50mm La figura 3 es una ilustración detallada de las vistas lateral y frontal del fotodetector con Ia película sensora, A, depositada, con B Ia lente colectora del fotodetector. Las medidas de los elementos, así como las distancias entre ellos están indicadas por a = 2.20mm, b= 1.90mm, c=1.50mm, d=4.00mm, e=0.8mm, f=1.27mm, g=1.27mm, h=1.60mm, i=2.60mm y j=1.27mm
La figura 4 es una ilustración en Ia que se representan los parámetros temporales medidos para distintas emisiones fosforescentes en presencia de diferentes concentraciones de analito, junto con el umbral del fotodetector. En el eje de abcisas se representa el tiempo y en el de ordenadas Ia intensidad luminosa relativa. t1 ; t2 y t3 representan los intervalos temporales que serán cuantificados de acuerdo al método propuesto.
La figura 5 es una ilustración de todas las señales luminosas presentes en Ia excitación y detección. La curva A representa Ia suma de todas las intensidades recogidas en el fotodetector. La curva B es Ia intensidad detectada debido a Ia excitación luminosa inicial. La curva C es Ia intensidad detectada debido a Ia fluorescencia de Ia película sensora. La curva D es Ia intensidad detectada debido a Ia fosforescencia de Ia película sensora (en ella se encuentra Ia información útil). El punto F es donde Ia suma de las intensidades detectadas decae por debajo del umbral del fotodetector, E. tM es el intervalo de tiempo que contiene Ia información a procesar.
La figura 6 es Ia representación de Ia función de calibración para Ia concentración de [O2] en función de Ia temperatura T y el parámetro N,. Con símbolos se representan los datos experimentales y con líneas los ajustes de las curvas de calibración propuesta: A, 38.5 0C; B 31.5 0C; C1 23.5 0C; D, 15 0C; y E 6
0C.
La figura 7 es una representación de Ia respuesta del instrumento a atmósferas alternativas de nitrógeno a oxígeno, t indica tiempo

Claims

Reivindicaciones
1. Un instrumento portátil para Ia medida de Ia concentración de un analito gaseoso en un medio gaseoso, basado en Ia desactivación de Ia fosforescencia de un indicador luminiscente, compensado en temperatura y caracterizado por poseer los siguientes componentes: a. una fuente de luz con longitud de onda adecuada para Ia excitación de Ia fosforescencia del citado indicador luminiscente; b. un fotodetector situado a pocos milímetros de Ia fuente luminosa y que genera una señal eléctrica en respuesta a Ia fosforescencia del indicador luminiscente; c. una película sensora, permeable al analito, conteniendo el indicador luminiscente cuya fosforescencia está atenuada por Ia presencia de dicho analito, un material de membrana y una sustancia fotoestabilizante, si fuera necesario. Esta película está dispuesta en contacto con Ia cara activa del fotodetector, recibiendo directamente Ia excitación de Ia mencionada fuente de luz; d. un sensor de temperatura situado a pocos milímetros del conjunto anteriormente indicado; e. una unidad central de proceso con memoria para almacenar la superficie de calibración que caracteriza Ia relación entre Ia luminiscencia, Ia temperatura y Ia concentración de analito.
2. El instrumento de Ia reivindicación 1 donde el mencionado fotodetector es de salida binaria presentando dos niveles de tensión, dependiendo de que Ia intensidad luminosa recibida esté por encima o por debajo de un cierto umbral.
3. El instrumento de Ia reivindicación 1 , donde los mencionados fuente luminosa y fotodetector, con Ia película sensora dispuesta en su cara activa, están montados sobre una placa de circuito impreso de dimensiones superficiales de entre 10 y 20 mm de largo y entre 5 y 10 mm de ancho.
4. El instrumento de Ia reivindicación 2, donde los mencionados fuente luminosa y fotodetector, con Ia película sensora dispuesta en su cara activa, están montados sobre una placa de circuito impreso de dimensiones superficiales de entre 10 y 20 mm de largo y entre 5 y 10 mm de ancho.
5. El instrumento de Ia reivindicación 3, donde Ia placa de circuito impreso conteniendo Ia fuente luminosa y el fotodetector, con Ia película sensora dispuesta en su cara activa, posee un conector adecuado para poder retirarlo o insertarlo fácilmente en el resto del instrumento ai objeto de poder ser reemplazado cuando sea necesario.
6. El instrumento de Ia reivindicación 4, donde Ia placa de circuito impreso conteniendo Ia fuente luminosa y el fotodetector, con Ia película sensora dispuesta en su cara activa, posee un conector adecuado para poder retirarlo o insertarlo fácilmente en el resto del instrumento al objeto de poder ser reemplazado cuando sea necesario.
7. Un método de medida de Ia concentración de analito en un medio gaseoso, con compensación de Ia temperatura, usando un sensor luminiscente que tras ser excitado modifica su luminiscencia en presencia de dicho analito, un fotodetector con salida binaria, un sensor de temperatura y una unidad central de proceso con memoria.
8. El método de Ia reivindicación anterior caracterizado por Ia adquisición de Ia temperatura con el sensor de temperatura mencionado y almacenamiento en Ia unidad central de proceso.
9. El método de Ia reivindicación 7, caracterizado porque se realiza una excitación previa del mencionado sensor luminiscente, sin medida de Ia salida de dicho fotodetector, para que se estabilice Ia respuesta de los elementos excitador y detector ópticos.
10. El método de Ia reivindicación anterior, caracterizado porque tras una excitación luminosa, se recibe Ia respuesta del fotodetector en estado alto durante un cierto período de tiempo en el cual Ia intensidad de Ia luminiscencia emitida por el sensor luminiscente está por encima de un cierto umbral.
11. El método de Ia reivindicación anterior, caracterizado por Ia conversión a un valor numérico del mencionado tiempo de vida de Ia emisión luminiscente por encima del umbral.
12. El método de Ia reivindicaciones 8 a 11 , caracterizado por evaluar Ia concentración de analito introduciendo los datos de temperatura y el valor numérico en Ia superficie de calibración y almacenada en Ia unidad central de proceso.
13. El instrumento de Ia reivindicaciones 1 a 6 empleando el método de medida caracterizado en las reivindicaciones 7 a 12, donde Ia superficie de calibración mencionada tiene Ia característica de poder ser recalibrada en un solo punto, es decir reconstruida mediante una sola medida en presencia de una concentración de analito dada.
14. El instrumento y método de Ia reivindicación anterior caracterizado por poder ser recalibrado en un solo punto, en presencia de oxígeno.
15. El instrumento de Ia reivindicación anterior, donde el indicador luminiscente de Ia película sensora es el compuesto platino (II) octaetilporfirina.
16. El instrumento de Ia reivindicación 14, donde Ia material de membrana de Ia película sensora es poliestireno.
17. El instrumento de Ia reivindicación 14, donde el compuesto fotoestabilizante de Ia película sensora es 1 ,4-diazabiciclo[2,2,2] octano.
18. El instrumento de las revidicaciónes 14 a 17 caracterizado por poseer una película sensora situada sobre el fotodetector conteniendo entre 0,075 y 2,25 μg de poliestireno, entre 1 ,6 y 9,9 μg de complejo platino (II) octaetilporfirina y entre 2,5 y 22,5 μg de 1 ,4-diazabiciclo[2,2,2] octano.
19. El instrumento de Ia reivindicación anterior, donde Ia película sensora se ha depositado sobre Ia cara activa del mencionado fotodetector, en volúmenes comprendidos entre 5 y 15 μl de una disolución en tetrahidrofurano recién destilado de los compuestos químicos: poliestireno, platino (II) octaetilporfirina y 1 ,4-diazabiciclo[2,2,2] octano, con posterior secado en atmósfera saturada de tetrahidrofurano, durante al menos 24 horas.
20. El instrumento de Ia reivindicación 14 caracterizado por poseer una fuente luminosa cuya longitud de onda esté comprendida entre 500nm y 550nm.
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