Desenvolupament de sensors potenciomètrics d'estat sòlid per a usos mediambientals i agroalimentaris

• Main Author: Artigas Pursals, Judit
• Other Authors: Alonso Chamarro, Julián
• Format: Doctoral Thesis
• Language: Catalan
• Published: Universitat Autònoma de Barcelona 2003
• Subjects: Soil wine and fruit analysis; Potenciomètric sensor; In situ application; Ciències Experimentals; 543
• Online Access: http://hdl.handle.net/10803/3162; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:8468855235

L'ús de sensors químics ha experimentat un augment important en la indústria, en l'anàlisi clínic o en el camp mediambiental, degut principalment a les avantatges que ofereixen respecte algunes tècniques d'anàlisi (ús d'instrumental econòmic i fàcil d'emprar per tal de realitzar les mesures així com per construir els sensors o la versatilitat del disseny i de la configuració dels sensors en són dos exemples). La integració global del procés analític que ofereixen els sensors ha permès obtenir informació en temps real i in situ, desenvolupant equips portàtils, de baix cost i d'ús fàcil. Actualment, es comercialitzen sensors com a eines útils per millorar el control de processos industrials, per monitoritzar paràmetres d'interès, per aprofundir en estudis a llarg temps o per controlar la qualitat de productes. Paral·lelament a l'increment en nombre de cases comercials i de tipus de sensors comercials, s'ha incrementat també el nombre d'aplicacions i el nombre de mètodes de referència que inclouen l'ús de mètodes potenciomètrics. La present tesi té com a objectiu global el disseny, la construcció i l'avaluació de nous sensors potenciomètrics d'estat sòlid així com la instrumentació i el material necessari per tal d'utilitzar-los en aplicacions de l'àmbit mediambiental i agroalimentari. Per tal de construir els sensors s'empraren transductors tant diferents com els electrodes selectius d'ions (ESIs), els sensors planars de capa gruixuda i els transistors d'efecte de camp sensible a ions (ISFETs). Es van optimitzar diferents membranes per tal d'analitzar diferents analits d'interès mediambiental i agrònom, com són el nitrat, el calci, el potassi, la urea i el pH. En funció del transductor emprat es van emprar membranes amb matriu de PVC i membranes basades en polímers fotocurables, concretament un polímer diacrilat-poliuretà (l'Ebecryl 270). Els treballs presentats en aquesta tesi es detallen breument.Per tal de realitzar l'anàlisi de sòls i/o substrats inerts, es va dissenyar una cel·la per facilitar la inserció dels sensors en el medi. Es va observar la viabilitat d'emprar sensors tipus ISFETs així com un fil de coure com a elèctrode de referència per tal de realitzar satisfactòriament les mesures in situ per períodes superiors a tres mesos, en el cas de pH, calci i potassi, i d'un mes en el cas de nitrats. La construcció i avaluació de sondes de nitrats emprant ESI i elèctrodes de capa gruixuda amb membranes de PVC va permetre millorar el temps de vida dels dispositius, essent en aquest cas el temps superior a instal·lables directament en el sòl emprant elèctrodes selctius d'ions va permetre realitzar mesures a llarg plaç observant-se que les membranes responien correctament tot i estar més de 5 mesos inserides en sòls. Es va avaluar la resposta dels sensors en el medi i es va estudiar la possibilitat de calibrar els sensors directament en el sòl. Es va observar també la viabilitat dels sensors per tal de controlar el procés d'estabilització tartàrica emprant resines d'intercanvi així com l'anàlisi de paràmetres com calci, potassi i pH en vins. S'observa com el medi hidroalcohòlic no afectava al temps de vida ni a les característiques de resposta de les membranes fotocurables desenvolupades. Va ser possible identificar i analitzar diferents varietats de fruita emprant ISFETs de calci, potassi i nitrats. S'avaluarà la viabilitat d'emprar els sensors, a peu de camp, per tal d'obtenir una mesura que pugui ser un indicador més de maduresa de les fruites. === The use of chemical sensors for environmental and agricultural applications has been described. ISEs and ISFETs based on all-solid-state internal reference are fabricated in our research group. These sensors have been applied lately in several fields such as industrial processes monitoring, biomedicine and environment. The use of photopolymers as matrix for ion selective membranes have a high number of advantages in front of PVC: Improvement of the adhesion to the semiconductor surface (previous silanisation), simple and faster preparation methods (there is not solvent evaporation) and compatibility with photolithographic techniques used in semiconductor technology, allowing its deposition and patterning on-wafer level. Among the most widely used UV-curable compounds are the acrylated based polymers. The fabrication of ion-sensitive electrochemical sensors for calcium is described in the present work. The membrane uses a photocurable polymer based on aliphatic diacrylated polyurethane. Membranes sensitive to calcium ions were optimised according the type of plasticizer and the polymer/plasticizer ratio. Ion-selective electrodes (ISEs) with a solid internal reference and ISFETs were used to evaluate the membrane. The resulting sensors were functional for periods of more than 8 months and the resulting sensitivities were quasi-Nernstian (26-27mV/dec) in a range of 5·10-6 - 8·10-2 M. The present work describe the construction and the evaluation of new potentiometric all-solid sensors and the all necessary instrumentation to obtain results in a completely automated fashion. The work is divided with three different applications: Standard methods to measure nutrient levels in soil are complex and time consuming due to the extraction and pre-treatment processes involved. Besides, the instrumentation used for these measurements is also expensive. Therefore, the use of chemical sensors would we interesting since they can be applied directly in the soil and results can be provided in real or quasi real time at a moderate cost. The control of these nutrients with sensors will permit an optimisation of the overall production process of the crop. Besides, this approach will be useful for reducing the environmental impact caused by the excess of nutrients in crop soils. In this work, the use of chemical sensors based on Ion Sensitive Field Effect Transistors (ISFETs) for soil analysis is proposed. Fabrication of pH, Ca2+, K+ and NO3- ISFETs and the cell to be applied in soil and their evaluation is reported. From the preliminary results of their application in soils it is possible to confirm their feasibility as sensors for in-soil monitoring and the promising future applications they have.The continuous monitoring of processes in the food.