Sensores químicos para a detecção de compostos voláteis orgânicos e misturas binárias

Abstract

Resumo: Nas últimas décadas, foram desenvolvidos dispositivos que monitoram mudanças na concentração de compostos voláteis na atmosfera. Esses dispositivos, denominados sensores, possuem diversas aplicações na indústria, como por exemplo, no controle da liberação de substâncias nocivas no ambiente ou até mesmo na medicina, fornecendo a detecção precoce de doenças, melhorando a análise clínica. Na primeira parte desta tese, foi desenvolvida uma técnica de reconhecimento de padrões, denominada análise tristimulus generalizada (Generalized Tristimulus Analysis, GTA) a qual pode ser aplicada na resposta de um conjunto de três sensores, com sensitividades positivas ou negativas, para discriminar diferentes analitos e misturas binárias dos mesmos, pois desacopla a resposta dos sensores da informação de concentração. Esta técnica foi aplicada em dados retirados da literatura, aplicando-a em problemas de misturas binárias de analitos, testando sua robustez. Na segunda parte dessa tese, foi desenvolvido experimentalmente e caracterizado o comportamento sensitivo de um conjunto de três sensores resistivos inespecíficos baseados em sulfeto de índio (?-In2S3), seleneto de índio (In2Se3) e óxido de grafeno reduzido (rGO) para metanol, formaldeído e ácido fórmico e a capacidade para discriminar tais analitos em misturas binárias. A caracterização dos sensores foi realizada medindo a impedância dos dispositivos em atmosfera de nitrogênio seco (RH~15%) e temperature ambiente (~ 23 °C). Medidas a baixa concentração de 5 ppm até 25 ppm foram utilizadas para determinar os limites de detecção e limites de quantificação dos sensores. Uma dependência quase linear das respostas com a concentração de analitos foi observada em média concentração, de 200 ppm até 2000 ppm. As medidas de mistura binária foram realizadas no regime de baixa concentração com concentração relativa de 100%, 75%, 50%, 25% e 0%. A resposta obtida foi comparada para misturas com as respostas esperadas quando as respostas são consideradas independentes, discutindo os desvios dessa idealização.

Abstract: In the last decades, devices were developed, to monitor changes in the concentration of volatile componds of the atmosphere. These devices, denominated sensors, have several applications in the industry, i.e., controlling the release of nocive substances to the environment, or even in the medicine, providing early detection of diseases and improving clinical analysis. In the first part of this thesis it is developed a pattern recognition technique, called generalized tristimulus analysis (GTA) which can be applied in the response of a set of three sensors, with either positive or negative sensitivities, in order to discriminate diferent analytes and binary mixtures of them, because it uncouple the response of the sensor from the concentration information. This technique was applied in literature data, applying in binary mixture of analyte problems, in order to test it robustness. In the second part of this thesis, it was experimentally characterized the sensing behavior of a set of three unspecific resistive sensors based on indium sulphide (?-In2S3), indium selenide (In2Se3) and reduced graphene oxide (rGO) for methanol, formaldehyde and formic acid and its capability to discriminate these analytes in binary mixtures. The sensors characterization was performed measuring the impedance of the devices in a dry nitrogen atmosphere (RH~15%) at room temperature (~ 23 °C). Low concentrations (from 5 ppm to 25 ppm) were used to determine the limit of detection and the limit of quantification of the sensors. An almost linear dependence of the responses with the analyte concentration was also observed at medium concentration, from 200 ppm to 2000 ppm. The binary mixture measurements were performed in the low relative concentration of 100%, 75%, 50%, 25% and 0% in the chamber, measuring the response in the saturation regime. It was compared the response obtained for mixtures with the expected response when independent responses are assumed, discussing deviations from this idealization.