Diseño de sensores fotónicos para monitorización remota de ecosistemas

Abstract

Este trabajo trata del desarrollo de sensores fotónicos, es decir, dispositivos que usan la luz para la detección y medida, aplicados a la cuantificación y control de parámetros de diferentes ecosistemas o medios naturales. El cambio climático, el exceso de consumo de recursos energéticos y la contaminación son problemas que preocupan a la sociedad actual. Conscientes de sus consecuencias, se han desarrollado herramientas para poder entender mejor los efectos del cambio climático en los organismos. Entre ellos se han implementado sensores que contribuyen al ahorro de energía y a la detección lo más rápida posible de contaminantes en el agua. El campo científico-tecnológico de la fotónica puede contribuir a afrontar estos retos. Ésta se sustenta en el estudio y aplicación de las propiedades de la luz y su interacción con la materia. Dispositivos basados en componentes fotónicos permiten el desarrollo de sensores que miden magnitudes usando la luz como instrumento. Estos dispositivos cuentan con una fuente luminosa que experimenta un cambio medible al interactuar con la sustancia o fenómeno de interés. Los principales fenómenos ópticos en los que se basan los sensores diseñados para medir las variables de interés son scattering, transmitancia, absorbancia, reflexión y fluorescencia inducida. Una vez detectadas las señales de respuesta se acondicionan para su posterior digitalización. Hecho esto, un microcontrolador (µC) con una serie de instrucciones automatiza la toma de medidas, realiza tratamiento digital de datos y envía o recibe información a través de transceptores de radio. En el transcurso de este trabajo se diseñaron y desarrollaron dispositivos capaces de medir turbidez, fitopoancton, microalgas, CDOM (colored dissolved organic matter) y CO2 en el aire, así como un aparato para detección e identificación de diferentes tipos de petróleo crudo y refinado. Se utilizaron para ello componentes fotónicos como LEDs (light emitting diodes), fototransistores y fotodiodos entre otros, demostrando que se pueden cuantificar las magnitudes o propiedades antes señaladas a un bajo coste. Adicionalmente, todos estos sensores permiten enviar los datos remotamente, capacidad que no tienen la mayoría de los sensores comer- ciales. Otra ventaja de los dispositivos desarrollados en este trabajo es que están adaptados a la aplicación concreta para la que fueron concebidos. Es decir, no se limitan a medir exclusivamente un parámetro sino que se sensan otras variables del entorno que contribuyen a una mejor interpretación de los resultados. A continuación se describen brevemente cada uno de los sistemas desarrollados. Turbidómetro y sensor RGB El turbidómetro desarrollado se basa en la medición de scattering operando con una fuente infrarroja (IR) LED. Como detector se usó un fototransistor con su máximo de sensibilidad situado en el pico de emisión del LED IR. En este dispositivo se incluye también un sensor RGB para obtener información del color de la muestra que se está sensando. Se realizan medidas nefelométricas (emisor y detector formando 90º) para que el tamaño de las partículas no influya de forma significativa en la medición de la turbidez. Además, para que el instrumento sea capaz de medir en NTUs (nephelometric turbidity units), se calibró usando muestras patrón de formacina. El sensor de color también se calibró con estas muestras aprovechando su color blanco. Por otro lado, para que las medidas tomadas a diferente temperatura se puedan comparar entre sí, se llevó a cabo una calibración de temperatura. El método ideado consistió en establecer una relación de la dependencia de la respuesta del sistema con la temperatura y, una vez hecho esto, trasladar las medias tomadas a una temperatura de referencia preestablecida (25ºC). Este instrumento usa comunicación vía satélite para enviar los datos y recibir telecomandos para su configuración. Se empleó una boya comercial para ubicar este aparato junto con paneles solares y una batería. De este modo, es totalmente autónomo y se puede usar para mediciones en mar abierto. El turbidómetro se probó durante dos meses en la ría de Vigo obteniendo una señal de turbidez del agua con ciclos periódicos, cuyo máximo aparecía diariamente alrededor de las 12:00 GMT. Por otro lado, el sensor RGB evidenció que las partículas marinas suspendidas eran mayoritariamente verdes. Esta información junto con los datos de la relación entre las componentes roja, verde y azul del sensor RGB confirmaron que el instrumento midió la migración vertical diaria del fitoplancton puesto que estos microorganismos fotosintéticos modulan su posición dependiendo de la radiación solar incidente. Sistema para monitorización de microecosistemas de agua dulce Este sistema de bajo coste fue capaz de monitorizar en tiempo real unos microecosistemas experimentales de agua dulce poco profundos, consistentes en charcas creadas artificialmente para el estudio de las consecuencias del cambio climático en el fitoplancton. El instrumento puede medir la temperatura del agua, el scattering de infrarrojo (IR), la fluorescencia inducida por un LED con emisión en la banda azul y otro con emisión en ultravioleta cercano (UVA), así como la reflexión de la luz del sol en el fondo de las charcas experimentales. El aparato se basa en la medida de la fluorescencia de la clorofila-a (chl-a) empleando fuentes luminosas azul y UVA. Como detector se utilizó un fototransitor junto con un filtro red-NIR (rojo e infrarrojo cercano). Este sensor dispone de una batería recargable conectada a un circuito de alimentación con un panel solar, por lo que es totalmente autónomo. Para añadirle la capacidad de envío de datos de forma remota y de recibir comandos para cambiar su configuración, en el diseño se usó un módulo de radio ZigBee que se comunica con otro idéntico, situado a menos de 100 m y conectado a un ordenador. A este ordenador se accedía mediante una VPN (virtual private network ) desde cualquier parte del mundo. De igual modo que en el sensor de turbidez, se realizó una calibración en temperatura para poder trasladar las medidas a una temperatura de referencia fija (20ºC) y poder compararlas entre sí. Para determinar la precisión de este instrumento se midieron en laboratorio diferentes diluciones de fitoplancton. Se obtuvo una señal proporcional a la concentración de chl-a y se determinó que el instrumento puede medir concentraciones de chl-a por encima de 1.14 µg/l. A continuación, se llevaron a cabo medidas en campo en dos de las charcas mencionadas. Las charcas se mantuvieron a diferente temperatura durante la última década, una a temperatura ambiente y la otra entre 4 y 5ºC más caliente, en concordancia con las predicciones del IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Las medidas mostraron que había más fitoplancton en la charca a temperatura ambiente que en la calentada artificialmente. También se pudieron observar los ciclos de producción de oxígeno con un sensor comercial que detecta la concentración de dicho gas y compararlos con las medidas obtenidas por el sensor, resultando que una mayor producción de oxígeno se corresponde con una mayor concentración de fitoplancton. Por otro lado, con el uso de varias fuentes luminosas se detectó CDOM que interfería en la medida de fitoplancton. Con la información de la medida de la reflexión de la luz solar en el fondo de las charcas se obtuvo indirectamente información del tiempo atmosférico (si el día estaba o no nublado). Así mismo, con esta medida se observa que a mayor cantidad de radiación mayor es la producción de O2. Además, el sistema tiene un rango dinámico elevado, apropiado para esta clase de ambientes en donde hay una gran variabilidad de radiación solar. Este dispositivo económico, al ser autónomo, es adecuado para su uso en otros medios acuáticos, como por ejemplo en lagos, ríos, océanos o entornos artificiales. De hecho, se empleó una versión simplificada de este instrumento para medir diferentes concentraciones de microalgas cultivadas en un fotobiorreactor. Las microalgas tienen una gran variedad de aplicaciones como el tratamiento de aguas residuales, captura de dióxido de carbono, como alimento para piscifactorías y biofuel. Además constituyen una fuente natural de carotenoides, por lo que pueden ser usadas en lociones y cremas para la protección solar, en talasoterapia, en productos de spa e incluso en el tratamiento de enfermedades de la piel. Debido a esto, su producción industrial está creciendo considerablemente. Las medidas obtenidas con el sensor demostraron que el aparato puede usarse en la monitorización de dichos cultivos. La medida de la señal de fluorescencia inducida proporciona información acerca de la concentración de estos microorganismos en la muestra o cultivo. Sensor para medir humedad, temperatura y CO2 en el aire Este diseño se realizó utilizando un circuito integrado (CI) que mide humedad usando un sensor capacitivo, y temperatura empleando un CI de band gap de silicio. A su vez, un sensor óptico NDIR (non-dispersive infrared) se usa para obtener la concentración de dióxido de carbono. Todos estos CIs proporcionan las medidas calibradas. Con el protocolo de comunicación I2C, un microcontrolador (µC) se encarga de leer los valores de temperatura (en ºC) y de humedad relativa (en RH %). Por otro lado, el mismo µC lee el valor de la concentración de dióxido de carbono que proporciona el sensor NDIR a través de PWM (pulse width modulation). Un módulo de radio envía la trama con todos los datos a un servidor web. Tanto el diseño hardware como firmware se ideó para que el sistema se pudiese utilizar durante largos periodos de tiempo sin necesidad de cambiar las baterías. Se probó un prototipo en una oficina en Ciudad de Panamá y, con las medidas obtenidas, se ajustaron los parámetros de un modelo matemático sencillo empleado para describir la evolución temporal de las condiciones ambientales. Este modelo se basa en el análisis de sólo unos pocos parámetros ambientales de forma que con las medidas obtenidas en diferentes entornos de trabajo se ajustan los coeficientes de unas ecuaciones diferenciales de evolución de humedad, temperatura y CO2 del aire. Este sensor junto con el modelo se puede utilizar para entender y predecir la evolución de variables ambientales que influyen tanto en el confort como en el consumo de energía de los edificios. Sensor para detección de petróleo crudo y refinado Este sistema consiste en un fluorómetro de bajo coste para detectar y distinguir diferentes tipos de petróleo crudo y refinado. El instrumento se basa en la medida de fluorescencia inducida con dos LEDs, uno con longitud de onda pico de 280 nm (UVC) y otro con 390 nm (UVA). Como detector se emplearon cuatro fotodiodos con sus respectivos filtros (azul, verde, amarillo y rojo). Para acondicionar la señal y mejorar la sensibilidad se optó por el uso de un amplificador de transimpedancia junto con un amplificador lock-in. Además, nuevamente con un módulo de radio se confirió al sensor la capacidad de enviar los datos de forma remota y de recibir las instrucciones del usuario sobre qué fuente se quiere emplear, ya sea el LED UVA o el LED UVC. Para probar el sensor, en primer lugar se midieron los espectros de fluorescencia inducida con iluminación ultravioleta en diferentes muestras de petróleo crudo (maya, morichal y ekofisk ) y refinado (diesel y gasolina). Esta información fue útil para comprobar en qué bandas se produce la fluorescencia y comprobar si los datos que proporcionaba el sensor implementado tenían sentido. Una vez hecho esto, se usaron las mismas muestras para probar el sistema desarrollado. Con las medidas obtenidas, el sensor es capaz de detectar y distinguir las diferentes muestras de petróleo mediante la obtención de huellas cromáticas características de cada tipo. Las huellas se construyen relacionando las diferentes componentes de fluorescencia medidas, por medio de los cocientes R/Y, R/G, R/B, Y/G, Y/B y G/B para cada muestra. Donde B, G, Y y R representan las componentes roja, verde, amarilla y azul respectivamente. Estas huellas características del espectro de fluorescencia son independientes de la potencia de emisión. Una vez que se tiene un patrón para cada combustible diferente, resultó sencillo diferenciar las muestras entre sí. Este instrumento puede ser una herramienta muy útil para monitorizar posibles vertidos de petróleo y determinar su origen con la identificación del tipo. La identificación es sencilla por comparación de la huella obtenida en la medida con las almacenadas en una base de datos.