Sensor Ótico Portátil para Deteção de Substâncias Químicas

Abstract

Accurate detection and measurement of chemical substances has become increasingly important in many applications, namely in water quality monitoring, in explosive detection, in glucose measurement levels or even food security. Among multiple existing technologies, fluorescence-based detection techniques are technologies that show promising results, as they have high sensitivity, selectivity and precision.The main objective of this dissertation was consequently the development of a chemical fluorescent sensor, which was portable, with high resolution and with different forms of communication, such as integration with robots based on Robotic Operating System and a web interface via WiFi. To achieve high resolutions, this work focused on comparing two forms of optoelectronic interfaces, one based on sigma-delta converter technology, and another, based on transimpedance amplifiers.To compare the two approaches, two comparison metrics were defined, limit of detection and relative sensitivity. Both approaches were subjected to the same tests with different concentrations of a given chemical substance, to obtain the curve that characterizes each of the approaches and estimates. Thus, the relative sensitivity was also tested in the absence of any chemical substance to estimate the limit of detection. Based on the obtained results from the various tests, it was concluded that the sigma-delta approach improved the limit of detection by approximately 15 times in relation to the approach with transimpedance amplifiers and allowed to estimate the relative sensitivity of the sensor, which was not possible with the other approach. In short, this work demonstrated that it is possible to develop a sensor that was portable, versatile, that used fluorescence and correlated its response with the concentration of a target chemical. In addition to offering relative advantages to traditional methods, namely greater resolution.

A deteção e medição com precisão de substâncias químicas tem tornado-se cada vezmais importante em muitas aplicações, nomeadamente, na monitorização da quali-dade da água, na deteção de explosivos, na medição de níveis de glucose em fluidosintersticiais ou até na segurança alimentar. No meio das múltiplas tecnologias exis-tentes, as técnicas de deteção baseadas em fluorescência são tecnologias que apre-sentam resultados promissores, pois possuem elevada sensibilidade, especificidadee precisão.O principal objetivo desta dissertação foi consequentemente o desenvolvimentode um sensor químico de fluorescência, que fosse portátil, com elevada resoluçãoe com diferentes formas de comunicações, como a integração com robôs baseadosem Robotic Operating System e de uma interface web por WiFi. Para atingir elevadasresoluções, este trabalho focou-se em comparar duas formas de interfaces optoeletró-nicas, uma baseada na tecnologia dos conversores sigma-delta, e outra, baseada emamplificadores de transimpedância.Para comparar as duas abordagens foram definidas duas métricas de compa-ração, o limiar de deteção e a sensibilidade relativa. Ambas as abordagens foramsubmetidas aos mesmos testes com concentrações diferentes de uma dada substân-cia química, para obter a curva que caracteriza cada uma das abordagens e estimasassim a sensibilidade relativa e foram testados também na ausência de qualquersubstância química para estimar o limiar de deteção.Com base nos resultados obtidos dos vários teste, concluiu-se que a abordagemsigma-delta permitiu melhorar o limiar de deteção em aproximadamente 15 vezesrelativamente à abordagem com amplificadores de transimpedância e permitiu esti-mar a sensibilidade relativa do sensor, o que não foi possível com a outra abordagem.Em suma, este trabalho demonstrou que é possível desenvolver um sensor quefosse portátil, versátil, que usasse a fluorescência e correlacionar a sua resposta coma concentração de uma substância química alvo. Além de oferecer vantagens relati-vamente aos métodos tradicionais, nomeadamente uma maior resolução.