Resumen de Development of μ-sensors and μ-preconcentrators for explosives and chemical threats detection
El presente trabajo ha sido realizado en el Departamento de Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente de la Universidad de Zaragoza, dentro del grupo de Par-tículas y Películas Nanoestructuradas (NFP) vinculado al Instituto de Nanociencia de Aragon (INA). Esta investigación se ha llevado a cabo en un periodo de 5 años (2014-2019) y ha estado alineada con el proyecto de investigación NanoTRAPTOR (CTQ2013-49068-C2-1-R) financiado por el MICINN (España) y enmarcada dentro del plan de ayu-da para la formación de doctores financiado por el mismo organismo como plan de For-mación de Personal Investigador (FPI, BES-2014-068036). Además, durante el transcur-so de esta Tesis se realizó una Estancia Académica (agosto – diciembre 2016) a la Univer-sidad de Michigan (EE. UU.) financiada por el MICINN (EEBB-I-16-10740).
Esta Tesis Doctoral se enfoca en el estudio de nuevas soluciones en materia de pre-vención y respuesta rápida contra amenazas NBQe (nuclear, biológica, química y explosi-va). Este trabajo propone la integración de sorbentes micro- y mesoporosos (zeolitas, po-límeros de coordinación porosa y materiales mesoporosos basados en sílice) así como de películas poliméricas de líquidos iónicos basados en imizadol, todos ellos con afinidad específica hacia compuestos nitroderivados y organofosforados en una nariz electrónica funcional para la preconcentración y detección de vapores de explosivos y agentes nervio-sos en condiciones relevantes. El dispositivo miniaturizado tipo nariz electrónica se com-pone de una unidad de micropreconcentración y de un detector de gases basado en una plataforma de micropalancas funcionalizadas con materiales nanoestructurados.
El potencial de los dispositivos desarrollados en este trabajo se ha evaluado median-te su exposición a gases/vapores relacionados con explosivos y simulantes de agentes nerviosos (AN), todos ellos en fase gas a concentraciones relevantes (concentraciones a nivel traza). Así, la plataforma multisensora basada en micropalancas funcionalizadas ha sido evaluada en la detección de vapores de compuestos nitroaromáticos (orto-nitrotolueno, o-MNT) así como de marcadores de explosivos (dimetil dinitrobutano, DMDNB) y explosivos comerciales (cordón detonante y C-4) en condiciones ambienta-les. Los micropreconcentradores funcionalizados han sido ensayados para la adsorción y preconcentración del simulante de AN dimetil metilfosfonato DMMP a concentraciones de partes por billón (ppb) y partes por millón (ppm). Finalmente, como prueba de concep-to, la unidad de micropreconcentración se ha conectado con el chip de micropalancas fun-cionalizadas para mejorar la sensibilidad de este último en la detección de compuestos orgánicos volátiles, n-hexano como modelo, a concentraciones de partes por millón.
Esta tesis se estructura en siete capítulos en aras de una fácil comprensión: • En el Capítulo I se introduce una de las mayores preocupaciones de muchas Agencias de Seguridad: la defensa contra amenazas NBQe derivadas de ata-ques terroristas, particularmente, de aquellas relacionas con el uso de explo-sivos y agentes de guerra química (en especial agentes nerviosos). Se pre-senta un breve resumen de las soluciones comerciales que actualmente están siendo usadas por las Fuerzas y Cuerpos de Seguridad del Estado para pre-venir y actuar en caso de amenaza. A continuación, se repasan los principa-les progresos científicos en el área de detección de explosivos y agentes ner-viosos en fase gas, así como de materiales para la adsorción preferencial de compuestos que contengan grupos nitro y fosfonato, característicos de com-puestos explosivos y organofosforados, respectivamente.
• El Capítulo II presenta los materiales micro- y mesoporosos, así como las películas poliméricas de líquido iónico propuestos en este trabajo para su in-tegración en los microdispositivos (micropreconcentrador y sensor de gas). Los protocolos de síntesis de cristales discretos o de películas policristalinas homogéneas con espesor controlado de unas pocas micras son presentados, así como el esquema para su integración en el dispositivo final atendiendo a las características de cada material. Por último, se discute la composición, cristalinidad, morfología, propiedades texturales, cristalografía y estabilidad térmica de los sorbentes/solventes.
• El Capítulo III está dedicado a la detección de compuestos explosivos usan-do la plataforma sensora basada en un conjunto de micropalancas modifica-das con sólidos nanoporosos. Las micropalancas funcionalizadas son ex-puestas a vapores de compuestos relacionados con explosivos, así como de explosivos reales (cordón detonante y C-4). Los distintos recubrimientos nanoestructurados son ensayados con la finalidad de elaborar una base de datos de materiales con su respuesta ante cada explosivo, cuya combinación potencialmente pueda derivar en una huella olfativa característica que permita su detección e identificación.
• El Capítulo IV describe el diseño y fabricación en sustrato silíceo de los chips microfluídicos, incluyendo los elementos auxiliares necesarios para su funcionamiento como micropreconcentrador. El diseño del microdispositivo ha sido asistido por un modelo tridimensional basado en elementos finitos. Este modelo se ha usado para calcular la distribución del fluido en el interior del dispositivo, así como la distribución del calor que disipa la espira de ca-lefacción integrada en la parte inferior del mismo. Las ecuaciones numéricas han sido resueltas usando la herramienta comercial COMSOL Multiphysics.
• El Capítulo V presenta las propiedades de adsorción dinámica de los micro-preconcentradores modificados con sorbentes micro- y mesoporosos, así como con películas poliméricas de líquido iónico, usando como molécula diana el simulante de agente nervioso DMMP a concentraciones de parte por millón. Se presentan también las distintas expresiones analíticas empleadas para describir el proceso de sorción. Igualmente, se introduce el modelo ma-temático tridimensional desarrollado en COMSOL Multyphysics para simu-lar la evolución de la composición de la fase fluida y sólida a lo largo del proceso de adsorción.
• El Capítulo VI recoge la evaluación del coeficiente de preconcentración de una selección de micropreconcentradores funcionales después de haber sido expuestos a trazas de DMMP (concentraciones de partes por billón). Final-mente, el funcionamiento del sistema miniaturizado tipo nariz electrónica compuesto por la unidad de micropreconcentración aguas arriba del chip de micropalancas funcionalizadas se demuestra con vapores de n-hexano a con-centraciones de partes por millón.
• El Capítulo VII recoge las principales conclusiones de esta Tesis y presenta algunas de las diferentes líneas de investigación derivadas de los resultados obtenidos en este trabajo.
