Sensores fototérmicos aplicados a la detección de sustancias dañinas en la atmósfera y el agua - Barreiro, Nadia Luisina (2019)
Las técnicas fototérmicas comprenden un amplio grupo de métodos altamente sensibles útiles para estudiar características como la absorción óptica o las propiedades térmicas de la materia. Éstas se basan en la excitación con radiación electromagnética de una muestra absorbente y el posterior estudio de la variación producida en parámetros termodinámicos como la temperatura, la presión y/o la densidad. Estas técnicas pueden ser, en general, aplicadas al estudio de gases, líquidos y sólidos. En este trabajo de tesis se plantea la aplicación de dos de estas técnicas con diferentes objetivos. Por un lado, se muestra la aplicación de la técnica fotoacústica con varios diseños experimentales y diversos propósitos. En particular, se presenta el uso de la misma en la detección de trazas de metano en aire haciendo uso de un oscilador paramétrico óptico. En este caso no solo se tiene en cuenta la espectroscopía del sistema sino que se estudia una problemática propia de esta aplicación concreta vinculada a que la interacción de intercambio de energía vibracional entre el metano y el oxígeno da lugar a la disminución de señal fotoacústica. Para comprender este fenómeno se realiza un modelo cinético que contempla las interacciones en el sistema metano-oxigeno -nitrógeno y se muestra como el agregado de otros gases (H2O, He, CFC-114, SF6) revierten en mayor o menor medida el proceso que da lugar a la disminución de señal fotoacústica. A partir del ajuste del modelo a los datos se infieren constantes de tiempo propias de la interacción entre moléculas. Finalmente, con el agregado de SF6, se logra calibrar el sistema encontrando un límite de detección de 0,75ppmV, siendo este valor adecuado para monitoreo de metano. Otra aplicación de la técnica fotoacústica que se muestra en este trabajo, involucra el uso de una fuente incoherente (LED) para la detección de dióxido de nitrógeno en aire. En este caso se hace énfasis en el diseño del sistema para que sea compacto. Además se consideran dos geometrías de celda fotoacústica estudiando sus características. Las sensibilidades halladas no son las más adecuadas para monitoreo ambiental pero se proponen varias posibilidades para mejorar el dispositivo diseñado y posibles aplicaciones que no requieren bajos límites de detección. La tercera aplicación de la técnica fotoacústica, es un método indirecto para detectar depósitos de partículas incluyendo el diseño de una celda FA adecuada a este objetivo. El dispositivo se prueba en muestras de hollín y nitrato de potasio. La segunda técnica fototérmica que se estudia en este trabajo de tesis es la espectroscopía de lente térmica. En este caso se muestra su aplicación a medición de soluciones acuosas con trazas de complejo Cr(VI)-DPC o colorantes de prueba mediante el uso de diferente fuentes de excitación. En primera instancia se utiliza un láser de colorante que, al ser sintonizable permite medir el complejo en su máximo de absorción. A continuación se busca reducir el sistema para hacerlo compacto y portable haciendo uso de punteros láser. Se desarrolla un método para medir en dos longitudes de onda (532 nm y 405 nm) en simultáneo y se modela el resultado para optimizar la técnica y estudiar sus limitaciones. Se demuestra la capacidad del sistema para calibrar en más de una longitud de onda en forma simultánea y la posibilidad de detectar sustancias interferentes. Finalmente se incorpora al dispositivo de lente térmica un sistema de flujo sencillo y económico para medir muestras inyectadas en un carrier acuoso. Primero se prueba el sistema con el colorante Acid Orange II y luego se estudia la posibilidad de hacer reacciones dentro del mismo con muestras de Cr(VI). Los límites de detección hallados con el sistema compacto en flujo resultan adecuados para monitoreo de contaminación de Cr(VI) a nivel perjudicial para la salud.