DESENVOLUPAMENT DE SENSORS POTENCIOMÈTRICS D'ESTAT SÒLID PER A USOS MEDIAMBIENTALS I AGROALIMENTARIS (2003)

Lus de sensors quimics ha experimentat un augment important en la industria, en lanalisi clinic o en el camp mediambiental, degut principalment a les avantatges que ofereixen respecte algunes tecniques danalisi (us dinstrumental economic i facil demprar per tal de realitzar les mesures aixi com per construir els sensors o la versatilitat del disseny i de la configuracio dels sensors en son dos exemples). La integracio global del proces analitic que ofereixen els sensors ha permes obtenir informacio en temps real i in situ, desenvolupant equips portatils, de baix cost i dus facil. Actualment, es comercialitzen sensors com a eines utils per millorar el control de processos industrials, per monitoritzar parametres dinteres, per aprofundir en estudis a llarg temps o per controlar la qualitat de productes. Paral·lelament a lincrement en nombre de cases comercials i de tipus de sensors comercials, sha incrementat tambe el nombre daplicacions i el nombre de metodes de referencia que inclouen lus de metodes potenciometrics.
La present tesi te com a objectiu global el disseny, la construccio i lavaluacio de nous sensors potenciometrics destat solid aixi com la instrumentacio i el material necessari per tal dutilitzar-los en aplicacions de lambit mediambiental i agroalimentari. Per tal de construir els sensors sempraren transductors tant diferents com els electrodes selectius dions (ESIs), els sensors planars de capa gruixuda i els transistors defecte de camp sensible a ions (ISFETs). Es van optimitzar diferents membranes per tal danalitzar diferents analits dinteres mediambiental i agronom, com son el nitrat, el calci, el potassi, la urea i el pH. En funcio del transductor emprat es van emprar membranes amb matriu de PVC i membranes basades en polimers fotocurables, concretament un polimer diacrilat-poliureta (lEbecryl 270). Els treballs presentats en aquesta tesi es detallen breument.
Per tal de realitzar lanalisi de sols i/o substrats inerts, es va dissenyar una cel·la per facilitar la insercio dels sensors en el medi. Es va observar la viabilitat demprar sensors tipus ISFETs aixi com un fil de coure com a electrode de referencia per tal de realitzar satisfactoriament les mesures in situ per periodes superiors a tres mesos, en el cas de pH, calci i potassi, i dun mes en el cas de nitrats. La construccio i avaluacio de sondes de nitrats emprant ESI i electrodes 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 sol emprant electrodes selctius dions va permetre realitzar mesures a llarg plac observant-se que les membranes responien correctament tot i estar mes de 5 mesos inserides en sols. Es va avaluar la resposta dels sensors en el medi i es va estudiar la possibilitat de calibrar els sensors directament en el sol.
Es va observar tambe la viabilitat dels sensors per tal de controlar el proces destabilitzacio tartarica emprant resines dintercanvi aixi com lanalisi de parametres com calci, potassi i pH en vins. Sobserva com el medi hidroalcoholic no afectava al temps de vida ni a les caracteristiques de resposta de les membranes fotocurables desenvolupades.
Va ser possible identificar i analitzar diferents varietats de fruita emprant ISFETs de calci, potassi i nitrats. Savaluara la viabilitat demprar els sensors, a peu de camp, per tal dobtenir una mesura que pugui ser un indicador mes 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.