ESPECTROMETRO BASADO EN TELEFONOS INTELIGENTES Y UN KIT DE BAJO COSTO PARA MEDICIONES DE TRANSMITANCIA Y ABSORBANCIA: ENFOQUE EN MEDICIONES DE CROMO EN.

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1 ESPECTROMETRO BASADO EN TELEFONOS INTELIGENTES Y UN KIT DE BAJO COSTO PARA MEDICIONES DE TRANSMITANCIA Y ABSORBANCIA: ENFOQUE EN MEDICIONES DE CROMO EN CURTIEMBRES  Omar Ormachea1, Alex Villazón2, Ramiro Escalera3, Miguel Carballo2,Grover Zurita1 1Centro de Investigaciones Ópticas y Energías (CIOE) 2Centro de Investigaciones en Nuevas Tecnologías Informáticas (CINTI) 3Centro de Investigaciones de Procesos Industriales (CIPI) Universidad Privada Boliviana RESUMEN Debido a sus capacidades de procesamiento, visualización, conectividad, y captura de imágenes, el uso de teléfonos inteligentes ha sido explorado recientemente como una opción factible para el desarrollo de instrumentos de medida en diferentes áreas (e.g. bio-sensores, espectrometría, sensores electro químicos). El presente trabajo presenta el desarrollo de un espectrómetro miniaturizado de bajo costo que utiliza la cámara de un teléfono inteligente y procesa las imágenes en un software propio de espectrometría (aplicación Android). El prototipo incluye un Kit de medición, conformado por un porta-cubetas, una fibra óptica con un elemento conector, y una fuente LED blanca de alta intensidad. La aplicación Android permite una calibración inicial en función de la longitud de onda, para luego calibrar el dispositivo y obtener valores de absorbancia y transmitancia y obtener curvas espectrales en tiempo real. La validación del prototipo se realizó con un estudio de caso del área industrial, para la medición de concentración de cromo en licores de curtido, comparando los resultados con un espectrofotómetro convencional calibrado. 1 INTRODUCCIÓN Configuración clásica de un espectrómetro en transmisión Trabajo previo: Método espectrofotométrico (2006) Las curtiembres bolivianas desechan grandes cantidades aguas contaminadas con sales de cromo trivalente – Cr(III), utilizadas en el curtido, cuyas concentraciones deben medirse (para cumplir con normativas ambientales) con métodos destructivos que requieren laboratorios con equipos costosos, personal especializado y procesos de tratamiento largos. Problemática del sector de curtiembres La UPB desarrolló y validó un método no destructivo rápido y simple para medición del Cr(III) en licores de curtido con patrones que utilizan los mismos reactivos químicos aplicados en el curtido de pieles. Sin embargo, este método utiliza todavía un espectrofotómetro comercial convencional costoso, por lo que se plantea en este proyecto el desarrollo y validación de un Espectrómetro de bajo costo basado en teléfonos inteligentes. Un espectrómetro es un dispositivo óptico que descompone luz poli-cromática en sus componentes monocromáticos y las distribuye para ser analizadas como un espectro en función de la longitud de onda. DISEÑO Y DESARROLLO Espectrómetro y Kit de medición Espectrómetro y Kit de medición acoplado al teléfono inteligente y software en funcionamiento Se desarrolló un software (Android App) para la visualización y procesamiento de imágenes (formato YUV), que son obtenidas por la cámara del teléfono inteligente. La aplicación permite la calibración por longitud de onda y el sistema tiene una resolución espectral inferior a 2 nm. Aplicación Android para espectrometría (a) (b) Para la calibración de absorbancia se requiere medir los valores de intensidad incidente I0 y la radiación que pasa a través de la muestra en solución I de acuerdo a la siguiente expresión matemática: 𝐴= 𝑙𝑛 𝐼 0 − 𝐼 𝐷𝑎𝑟𝑘 𝐼− 𝐼 𝐷𝑎𝑟𝑘 . Se diseñó y desarrolló un sistema espectrométrico consistente en: (a) un espectrómetro miniaturizado acoplable a la cámara de un teléfono inteligente, y (b) un Kit de medición para obtener absorbancias y transmitancias El espectrómetro es acoplado al porta-cubetas mediante una fibra óptica de plástico. La fuente de luz utilizada está basada en un LED blanco de alto brillo. RESULTADOS Validación cualitativa Validación cuantitativa Para la validación cuantitativa, se utilizó el método espectrofotométrico no destructivo con licores de curtiembre que contienen Cr(III). Se calibraron las curvas de concentración de Cr(III) en función de la absorbancia obtenida por el espectrómetro desarrollado y el espectrofotómetro Shimadzu UV La curva de calibración obtenida por el prototipo propuesto, tiene una forma cuadrática (b), que una vez linearizada (c), permite medir concentraciones de Cr(III) muy cercanas a las medidas por el espectrofotómetro Shimadzu (a), 2,161 g-Cr/L y 2,149 g-Cr/L, respectivamente. (a) (b) (c) Espectros obtenidos por el espectrómetro desarrollado y un espectro- fotómetro comercial La validación cualitativa se realizó comparando el espectro de una solución de Rhodamine 6G obtenido por un espectrofotómetro Shimadzu UV-1601 con el obtenido por el prototipo. Los picos de absorción están dentro de la resolución espectral <2nm: espectrofotómetro comercial l=532 nm; prototipo l=531,6 nm. CONCLUSIONES Se desarrolló y validó un espectrómetro miniaturizado de bajo costo que utiliza la cámara de un teléfono inteligente y una aplicación Android propia. El espectrómetro fue aplicado a la medición de Cr(III) en licores de curtido, de manera rápida y precisa, datos que pueden ser obtenidos en tiempo real El espectrómetro puede aplicarse a la medición de otras sustancias relevantes en diferentes áreas de la ciencia e ingeniería (análisis de alimentos, aguas, colorantes naturales y sintéticos y otros) PREMIO PLURINACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA, LA PAZ 2016