Resumen de Advanced applications of refractive index optical interferometric sensors
El trabajo presentado en esta tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de diferentes plataformas de interrogación óptica para transductores interferométricos. En concreto, las plataformas desarrolladas fueron diseñadas para ser empleadas con transductores basados en redes de nanopilares resonantes (RNPs) para medidas en tiempo real en diversas aplicaciones en la industria petroquímica y agroalimentario y el control medioambiental. A pesar de que pueda parecer complicado emplear sensores similares para aplicaciones tan diferentes, esto es posible gracias al carácter interdisciplinar del trabajo desarrollado en esta tesis.
La mayoría de las plataformas de interrogación desarrolladas aquí están compuestas por una sonda de medida, que incluye el transductor y está en contacto con la muestra, conectada mediante fibra óptica a una plataforma de interrogación que estimula y capta la señal del transductor, compuesta como mínimo por una fuente de luz y detector óptico. Para el desarrollo de la sonda, se probaron varios diseño y materiaes. Para el desarrollo de la sonda se consideraron y fabricaron varios diseños diferentes, mientras que para la plataforma de interrogación se diseñaron dos sistemas, uno basado en un espectrómetro y otro en un láser sintonizable. Además, para el procesamiento de la respuesta espectral del sensor, se incorporó un sistema de clasificación e inferencia basado en Machine learning, con técnicas como el Análisis de Componentes Principales (PCA). Utilizando esta tecnología, se desarrollaron con éxito varias plataformas para los casos de estudio considerados.
Para el análisis de crudos de petroleo y derivados, las plataformas desarrolladas se emplearon para la determinación de diferentes propiedades de interés para la industria petrolera (densidad, viscosidad, distribución de hidrocarburos y concentración de agua y gas) en diferentes condiciones ambientales de presión y temperatura. En concreto, la densidad, la viscosidad y la presencia de gases se determinaron con éxito utilizando únicamente los RNPs, mientras que para el resto de propiedades fue necesario implementar otros tipos de transductores en la plataforma de sensado. Entre estos, el sensor más interesante desarrollado para estas aplicaciones fue una plataforma multiplexada capaz de medir simultáneamente hasta 12 transductores implementados en una única sonda que puede instalarse en el fondo de los pozos petrolíferos a kilómetros de distancia de las plataformas de interrogación.
Para la aplicación agroalimentaria, se desarrolló una plataforma para determinar la concentración de etanol en diferentes matrices. Además, se implementó con éxito PCA en estos sensores consiguiendo una mejora significativa en el rendimiento del sensor. Los resultados obtenidos muestran que el análisis por PCA mejoró el límite de detección de los sensores hasta un 140%, con mejores resultados cuando se consideran muestras más complejas.
Por último, para el control medioambiental, se diseñó una plataforma para detectar por primera vez con los RNPs la presencia de vapores producidos por compuestos volátiles en estado líquido. En concreto, en estos experimentos se evaluó la presencia de vapores producidos por muestras de metanol, etanol, isopropanol, ácido acético, ácido propiónico y tolueno a diferentes distancias entre el transductor y el líquido. Con este sistema se obtuvieron curvas de respuesta para cada una de estas muestras, así como una estimación de lámina delgada de líquido condensado en la superficie de los nanopilares necesario para producir las respuestas registradas. Los resultados obtenidos muestran una fuerte correlación entre la señal de detección y la afinidad química de la muestra con los materiales del transductor. Estos resultados muestran la potencial aplicación de los nanopilares para el análisis de vapores, que puede ser útil para el mencionado control medioambiental, así como controles de calidad en productos químicos y el ámbito clínico.
Adicionalmente a estos resultados, en este trabajo también se presentan algunos de los futuros desarrollos para sensores basados en RNPs. La mayoría de ellos desarrollados durante una estancia internacional de investigación en el grupo Flexilab de la Universidad de Purdue (EEUU). Entre estas líneas futuras se incluyen una célula fluídica para el análisis de volumen reducido de muestras, el uso de LEDs como fuentes de luz, y el uso de RNPs para biosensado implementado el método de detección óptica interferométrica patentado por el grupo de investigación de Óptica, Fotónica y Biofotónica de la Universidad Politécnica de Madrid.
