Resumen de Design and development of automatic and manual portable analytical systems. Application to food and parameters of environmental interest
- español
Introducción El interés hacia los parámetros ambientales y alimentarios es crucial y muy relacionado con la calidad de vida. Las muestras pueden ser muy complejas y algunos de sus componentes pueden encontrarse a muy bajo nivel de concentración. Por ello puede ser necesario recurrir a metodología apropiadas para su determinación.
Hoy en día, la espectrofotometría es la base de muchos métodos sencillos y robustos para la determinación de trazas en el medio ambiente. La desventaja de estos métodos es que pueden necesitar recurrir instrumentos de cierto tamaño y de una fuente apropiada de energía, por lo que sólo son prácticos al utilizarlos en el laboratorio. Por ello, últimamente se han venido desarrollando nuevos sistemas colorimétricos miniaturizados que se basan en el uso de detectores económicos, tales como teléfonos móviles, cámaras web, microscopios digitales y pequeños detectores CCD. Las impresoras 3D constituyen una poderosa herramienta para fabricar los dispositivos apropiados para la integración del detector, la fuente de luz y el soporte de la cubeta. De esta manera se pueden conseguir sistemas compactos y portátiles, en los que todos los elementos se pueden alimentar directamente a través de las salidas USB de una computadora personal.
Contenido de la investigación: i) Desarrollo de nuevo software y de detectores portátiles para la evaluación de datos espectrofotométricos.
3. Se ha desarrollado un sistema colorimétrico portátil y económico basado en el uso de una cámara web como detector, junto con un dispositivo elaborado mediante impresión3D que acomoda dicha cámara, la fuente de radiación y el soporte de una cubeta espectrofotométrica. Este sistema se ha aplicado a la determinación de hierro (II) en aguas usando o-fenantrolina como reactivo, así como a la determinación de hipoclorito en aguas usando tetrametilbencidina como reactivo cromogénico.
4. Se ha desarrollado un sistema espectrofotométrico simple, barato y portátil basado en el uso de un microscopio digital. De nuevo, se ha desarrollado un dispositivo mediante impresión 3D para el alojamiento de detector, la fuente de radiación LED y el soporte de la cubeta espectrofotométrica.
5. Se han utilizado dos detectores CCD miniaturizados (espectrofotómetros USB4000 y STS-Vis de Ocean Optics) acoplados a un dispositivo impreso en 3D que soporta la fuente de radiación y una celda espectrofotométrica. Este sistema se ha aplicado a la determinación de hierro (II) en aguas usando o-fenantrolina como reactivo cromogénico. Los resultados obtenidos han sido de una calidad similar a los obtenidos con espectrofotómetros convencionales de uso general.
6. Se ha desarrollado el programa WinMLR para la cuantificación simultánea de varios componentes en mezclas mediante un tratamiento de regresión lineal múltiple. La validación de este software se ha llevado a cabo aplicándolo a la resolución de una mezcla de fenoles con resultados satisfactorios.
ii) Sistemas automáticos para la determinación de parámetros en muestras de alimentos.
7. Se ha desarrollado un sistema multibomba con detección conductométrica provisto de una celda de difusión gaseosa para la determinación de SO2 libre y total en vinos. Dicho método se basa en la reacción de H2O2 con el SO2 para producir H2SO4.
8. Se ha acoplado un sistema MSFIA a un HPLC para la determinación simultánea de los ácidos benzoico y sórbico en jugos y refrescos. Adicionalmente se ha implementado un método de diálisis en línea para proteger la columna del HPLC en el caso de muestras con matrices complicadas.
9. Se ha desarrollado un sistema MSFIA con detección espectrofotométrica para la determinación de hierro total en vinos basado en la reacción de Fe (II) con 2- (5-bromo- 2-piridilazo) -5- (dietilamino) -fenol (Br-PADAP).
10. Se ha desarrollado un sistema multibomba automático para la determinación de hierro total de diferentes muestras de vino. Este análisis se basa de nuevo en la formación del complejo entre el Fe (II) y el 2- (5-bromo-2-piridilazo) -5- (dietilamino) - fenol (Br-PADAP).
iii) Sistemas automáticos para la determinación de parámetros de interés ambiental.
11. Se ha desarrollado un sistema MSFIA espectrofotométrico con celda de difusión gaseosa para la determinación de bromuro en muestras de agua. Este método se basa en la decoloración del azul de metileno por el bromo liberado en la oxidación del bromuro por el bromato en condiciones ácidas.
12. Se ha desarrollado un sistema MSFIA para la determinación espectrofotométrica de uranio (VI) en muestras de agua utilizando 2- (5-bromo-2-piridilazo) -5-dietilaminofenol (Br-PADAP) como reactivo cromogénico.
Conclusiones En esta tesis, la investigación se ha agrupado en dos secciones. La primera está dedicada al desarrollo de sistemas colorimétricos nuevos, baratos y portátiles, y la segunda al desarrollo de métodos automáticos basados en el uso de técnicas de flujo para monitorear parámetros de interés ambiental y alimentario. En estas contribuciones, se ha mostrado cómo lograr métodos económicos, simples y confiables que pueden usarse para el análisis de muestras in situ.
- català
Introducció L'interès cap als paràmetres ambientals i alimentaris és crucial i molt relacionat amb la qualitat de vida. Les mostres poden ser molt complexes i alguns dels seus components poden trobar-se a molt baix nivell de concentració. Per això pot ser necessari recórrer a metodologies adients per a la seva determinació.
Avui en dia, l'espectrofotometria és la base de molts mètodes senzills i robustos per a la determinació de traces en el medi ambient. El desavantatge d'aquests mètodes és el que poden tenir que recórrer a instruments de certa grandària i d'una font apropiada d'energia, de manera que només són pràctics per l'utilitzar-los en el laboratori. Per això, darrerament s'han anat desenvolupat nous sistemes colorimètrics miniaturitzats que es basen en l'ús de detectors econòmics, com ara telèfons mòbils, càmeres web, microscopis digitals i petits detectors CCD.
Les impressores 3D constitueixen una poderosa eina per fabricar els dispositius apropiats per a la integració del detector, la font de llum i el suport de la cubeta espectrofotomètrica. D'aquesta manera es poden aconseguir sistemes compactes i portàtils, en els quals tots els elements es poden alimentar directament a través de les sortides USB d'un ordinador personal.
Contingut de le recerca i) Desenvolupament de nou programes i detectors portàtils per a l'avaluació de dades espectrofotomètriques.
3. S'ha desenvolupat un sistema colorimètric portàtil i econòmic basat en l'ús d'una càmera web com a detector, juntament amb un dispositiu elaborat mitjançant impressió 3D que acomoda aquesta càmera, la font de radiació i el suport d'una cubeta espectrofotomètrica. Aquest sistema s'ha aplicat a la determinació de ferro (II) en aigües, així com a la determinació d'hipoclorit en aigües.
4. S'ha desenvolupat un sistema espectrofotomètric simple, barat i portàtil basat en l'ús d'un microscopi digital.
5. S'han utilitzat dos detectors CCD miniaturitzats (espectrofotòmetres USB4000 i STS-Vis d'Ocean Optics) acoblats a un dispositiu imprès 3D que suporta la font de radiació i una cel•la espectrofotomètrica. Aquest sistema s'ha aplicat a la determinació de ferro (II) en aigües.
6. S'ha desenvolupat el programa WinMLR per a la quantificació simultània de diversos components en mescles mitjançant un tractament de regressió lineal múltiple.
ii) Sistemes automàtics per a la determinació de paràmetres en mostres d'aliments.
7. S'ha desenvolupat un sistema multibomba amb detecció conductométrica proveït d'una cel•la de difusió gasosa per a la determinació de SO2 lliure i total en vins.
8. S'ha acoblat un sistema MSFIA a un HPLC per a la determinació simultània d'àcids benzoic i sòrbic en sucs i refrescos. Addicionalment s'ha implementat un mètode de diàlisi en línia per protegir la columna d'HPLC en el cas de mostres amb matrius complicades.
9. S'ha desenvolupat un sistema MSFIA amb detecció espectrofotomètrica per a la determinació de ferro total en vins.
10. S'ha desenvolupat un sistema multibomba automàtic per a la determinació de ferro total de diferents mostres de vi.
iii) Sistemes automàtics per a la determinació de paràmetres d'interès ambiental.
11. El desenvolupament d'un sistema MSFIA espectrofotomètric amb cel•la de difusió gasosa ha permès la determinació de bromur en mostres d'aigua.
12. Per a la determinació espectrofotomètrica d'urani (VI) en mostres d'aigua s'ha desenvolupat un sistema MSFIA utilitzant el 2- (5-brom-2-piridilazo) -5-dietilaminofenol com a reactiu cromogènic.
Conclusions En aquesta tesi, la investigació s'ha agrupat en dues seccions. La primera està dedicada a el desenvolupament de sistemes colorimètrics nous, barats i portàtils, i la segona a el desenvolupament de mètodes automàtics basats en tècniques de flux per a monitoritzar paràmetres d'interès ambiental i alimentari. En aquestes contribucions, s'ha mostrat com aconseguir mètodes econòmics, simples i fiables que poden usar-se per a l'anàlisi de mostres in situ.
os ellos)
- English
Introduction Interest on environmental and food parameters is crucial and has a big relationship with human life quality. Samples are usually quite complex, and some components are found in very low concentrations. Appropriate methodologies are therefore necessary.
Nowadays, spectrophotometry is the base of lot simple and robust methods for making analysis of the trace elements in the environment. Usually big instruments are involved for this purpose and cannot be used for field measurements. Then novel miniaturized colorimetric systems have been successfully developed. They are based on the use of cheap detectors like mobiles, webcam, digital microscopes and small CCD. 3D printers constitute powerful tools to fabricate the supporting devices for the selected detectors, light sources and cuvettes. In this way, compact and portable systems may be done where all elements are directly powered through the USB outputs of a personal computer.
Research content i) Development of new software and portable detectors for the evaluation of spectrophotometric data.
3. A portable cheap colorimetric system based on the use of webcam as a detector hosted in a 3D printed chamber. The housing device made using a 3D printer simultaneously supports a LED as a light source, the digital microscope and cuvette supporting cell. This system has been applied both to Iron (II) determination in water samples using o-phenanthroline as a chromogenic reagent. giving a red complex, and also to hypochlorite determination using tetramethylbenzidine as a reagent providing a yellow color. 4. Development of a simple, cheap and portable spectrophotometric system based on the use of a digital microscope. The housing device was made using a 3D printer and simultaneously supports a LED as a light source, the digital microscope and cuvette supporting cell.
5. The buildup of economically miniaturized spectrophotometric systems based on the use of CCD detector. Two small CCD detectors (USB4000 and STS-Vis spectrophotometers of Ocean Optics) has been coupled to a 3D printed device simultaneously supporting a LED as light source and a spectrophotometric cell. This system has been applied to Iron (II) determination in water samples using o-phenanthroline as a chromogenic reagent. Results are as accurate as the conventional general spectrophotometer of general use.
6. Development of the programme WinMLR for the simultaneous quantification of several components in mixtures without the need of their separation. For this, a multilinear regression treatment of experimental data has been done. It allows getting the concentrations of each component in mixture in an easy and very quick way. The validation of this software has been done using a mixture of phenols, obtaining satisfactory results.
ii) Automatic systems to determine parameters in food samples.
7. A novel methodology for the determination of total SO2 by using a conductometric system provided with a multipumping flow module and a gas-diffusion cell. The reaction between H2O2 with SO2 to produce H2SO4 has been carried out for measuring free and total SO2 content in wines.
8. Development of simultaneous determination of benzoic and sorbic acids in juices and soft drinks using a multi-syringe flow injection analysis system coupled to a HPLC. An on-line sample dialysis method has been implemented for protecting the HPLC column from complex matrices.
9. Establishment of a new spectrophotometric determination for total iron in wines by using multisyringe flow injection analysis system based on the reaction of Fe (II) with 2-(5-Bromo-2-Pyridylazo)-5-diethylaminophenol (Br-PADAP).
10. An automatic system has been developed based on a multipumping flow system for the analysis of total iron in different wine samples. This analysis is also based on the complex formation between Fe (II) and Br-PADAP.
iii) Automatic systems to determine parameters of environmental interest.
11. Development of a novel MSFIA spectrophotometric method using a gas-diffusion cell for the determination of bromide in water samples. This method is based on decoloring methylene blue by the bromine released from the oxidation of bromide by bromate under acidic conditions.
12. MSFIA spectrophotometric determination of uranium (VI) in water samples using 2-(5-Bromo-2-Pyridylazo)-5-diethylaminophenol (Br-PADAP) as chromogenic reagent.
Conclusions In this thesis, the research has been grouped into 2 sections. The first one is devoted to the development of the new, cheap and portable colorimetric systems, and the second section to the development of automatic methods based on the use of flow-based techniques for monitoring parameters of environmental and food interest. In these contributions, we have showed how to achieve economical, simple and reliable methods which can be used for in situ sample analysis.
