BR102016019036A2

BR102016019036A2 - Espectrofotômetro portátil de absorção/emissão na região do visível, utilizando lâmpada incandescente e dispositivo móvel

Info

Publication number: BR102016019036A2
Application number: BR102016019036-3A
Authority: BR
Inventors: Farias De Almeida Luciano; Lemos De Almeida Júnior Pedro; Pablo Atayde Fernandes Julys; Jader Souza De Oliveira Helton; Araújo Sampaio Bárbara
Original assignee: Universidade Federal Da Paraíba
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2018-03-06

Abstract

espectrofotômetro portátil de absorçao/emissão na região do visível, utilizando lâmpada incandescente e dispositivo móvel que é um equipamento portátil de absorção/emissão na região do visível, utilizando lâmpada incandescente, fragmento de mídia de dvd e dispositivo móvel, celular smartfone, tablete ou câmera, que permite obter espectros de absorção molecular e linhas de emissão óptica na região espectral compreendida entre 100 e 1500 nm_ sua construção modular permite a operação nos modos de emissão e de absorção por meio do encaixe adequado dos módulos. as medidas de emissão são feitas parcialmente, ou seja, o módulo de emissão deve ser acoplado à janela de um fotómetro de chama ou direcionada para a chama de um espectrômetro de absorção atômica em chama. no modulo de absorção, a solução absorvente é inserida em uma cubeta de vidro, acrílico ou quartzo, que por sua vez é inserida no receptáculo. em ambos os modos, a luz proveniente da chama ou das lâmpadas incandescentes atravessa todo o percurso óptico e atinge a rede de difração, gerando uma imagem espectral posteriormente registrada pela câmera do dispositivo móvel.

Description

(54) Título: ESPECTROFOTÔMETRO PORTÁTIL DE ABSORÇÃO/EMISSÃO NA REGIÃO DO VISÍVEL, UTILIZANDO LÂMPADA INCANDESCENTE E DISPOSITIVO MÓVEL (51) Int. Cl.: G01V 8/10; G01N 21/27 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA (72) Inventor(es): LUCIANO FARIAS DE ALMEIDA; PEDRO LEMOS DE ALMEIDA JÚNIOR; JULYS PABLO ATAYDE FERNANDES; HELTON JADER SOUZA DE OLIVEIRA; BÁRBARA ARAÚJO SAMPAIO (57) Resumo: ESPECTROFOTÔMETRO PORTÁTIL DE ABSORÇAO/EMISSÃO NA REGIÃO DO VISÍVEL, UTILIZANDO LÂMPADA INCANDESCENTE E DISPOSITIVO MÓVEL que é um equipamento portátil de absorção/emissão na região do visível, utilizando lâmpada incandescente, fragmento de mídia de DVD e dispositivo móvel, celular smartfone, tablete ou câmera, que permite obter espectros de absorção molecular e linhas de emissão óptica na região espectral compreendida entre 100 e 1500 nm_ Sua construção modular permite a operação nos modos de emissão e de absorção por meio do encaixe adequado dos módulos. As medidas de emissão são feitas parcialmente, ou seja, o módulo de emissão deve ser acoplado à janela de um fotómetro de chama ou direcionada para a chama de um espectrômetro de absorção atômica em chama. No modulo de absorção, a solução absorvente é inserida em uma cubeta de vidro, acrílico ou quartzo, que por sua vez é inserida no receptáculo. Em ambos os modos, a luz proveniente da chama ou das lâmpadas incandescentes atravessa todo o percurso óptico e atinge a rede de difração, gerando uma imagem espectral posteriormente registrada pela câmera do disposi(...)

140 mm mm 45 mm

A c

1/7 “ESPECTROFOTÔMETRO PORTÁTIL DE ABSORÇÃO/EMISSÃO NA REGIÃO DO VISÍVEL, UTILIZANDO LÂMPADA INCANDESCENTE E DISPOSITIVO MÓVEL” [001] A presente invenção se refere a um instrumento portátil, com rapidez e confiabilidade nas medições de absorbância e emissão óptica, de baixo custo de aquisição e manutenção, aplicável em laboratórios de análises de rotina, de pesquisa e didáticos em nível superior e médio e em análises in situ. O instrumento que se apresenta tem caráter modular, ou seja, apresenta um módulo para medidas de absorção molecular e outro para medições de emissão óptica em chama (de forma parcial). O instrumento da invenção tem campo de aplicação na indústria de equipamentos eletrônicos de análises químicas.

[002] O estado da arte em que se refere às análises espectrométricas de compostos químicos é bastante conhecido e se utiliza instrumentos amplamente comercializados pela indústria nacional e multinacionais, os quais na grande maioria são equipamentos de alto custo de aquisição e de manutenção.

[003] Também é verificado que existe diversas alternativas que buscam otimizar e diminuir custos de equipamento, principalmente com inventos de equipamento portáteis para as analises de compostos químicos.

[004] A patente US 853743-B2 apresenta um espectrômetro miniaturizado utilizando smartphone para as medidas espectroscópicas em tempo real para análises de substâncias orgânicas e inorgânicas. O dispositivo é constituído basicamente por um telefone celular, um guia de onda para uma fonte luminosa externa, um conjunto de espelhos e uma grade de difração cilíndrica.

[005] Na patente CN 102798599 A é apresentado um espectrômetro portátil de absorção molecular de fase gasosa o qual compreende dispositivos de amostragem, de aquecimento, de separação gás-líquido, de secagem e um de detecção, onde este último compreende um sensor, um detector, um sistema de processamento de sinal, um sistema de controle e um sistema de leitura e apresentação de dados, que são conectados sequencialmente. Este instrumento é particularmente aplicável para a determinação de nitrogênio amoniacal, sulfeto, nitrogênio Kjeldahl, nitrogênio total, nitrato, nitrito, sulfito, íons cloreto e índice de permanganato.

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2/7 [006] Na patente US 20140138528 A1 é descrita uma invenção aplicável a métodos de medida in-situ a análise de substâncias dissolvidas, livres, ou incorporadas em uma matriz com um espectrômetro e um aparato auxiliar para efetuar as medições. Em particular esta invenção refere-se a um método e um aparelho de análise para detectar e medir metano ou substâncias relacionadas em leitos subsuperficiais de carvão para prever o potencial de produção de metano em um poço. Este sistema de medição inclui uma fonte de radiação, um detector, uma sonda conectada opticamente ao espectrômetro a qual inclui fibras ópticas para a transmissão da radiação da fonte de radiação e pelo menos um segundo caminho óptico para a transmissão de uma radiação característica a partir de uma sonda de amostragem acoplada a um orifício de sondagem.

[007] É conhecido o fato que o uso de sistemas ópticos como Czerny-Turner e Ebert podem apresentar problemas na formação de uma imagem digital devido à forte aberração óptica causada pelos espelhos, o que requer dispositivos ópticos e montagens mais complexas para corrigir esse problema. Isso só aumenta o nível de complexidade e o custo do aparelho. Desta forma, em alguns espectrômetros é necessário o uso de pelo menos um componente óptico refrativo para colimar a radiação que atinge o dispositivo de dispersão, para evitar aberrações cromáticas na imagem.

[008] A presente patente de invenção difere de todas mencionadas acima e ainda apresenta as vantagens de ser um equipamento de baixo custo a partir de materiais acessíveis, fácil construção e operação. A patente de invenção apresenta ainda a vantagem sobre as demais patentes por usar internamente em sua estrutura uma minifonte de luz incandescente de tungstênio, ou seja, uma minilâmpada com característica espectral equivalente às encontradas em equipamentos de maior porte e robustez, porém com custos e consumo energético bastante inferior, para medidas de absorção molecular na região do visível. Outra vantagem do instrumento da invenção reside no uso de aletas internas devidamente espaçadas entre si, as quais favorecem a difusão da luz e a geração de imagens espectrais mais largas e com cores bem definidas.

[009] A patente de invenção apresenta ainda como diferencial a vantagem de ser constituída por três módulos encaixáveis entre si, tendo o primeiro módulo função de fixação do dispositivo móvel; o segundo módulo é projetado para medidas parciais de emissão óptica em chama e o terceiro modulo é projetado para medidas de absorção

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3/Ί molecular na região do visível. O caráter multimodular do equipamento atribui a este uma ampla flexibilidade de uso e a possibilidade de trabalho em outras faixas espectrais, ou como sistema de detecção associado a outros tipos de fontes de excitação.

[010] As medidas de emissão óptica são feitas de forma parcial, onde o módulo correspondente é acoplado à janela de visualização da chama de um instrumento de fotometria de chama e a luz emitida por este é captada e processada pela invenção. O espectro molecular é gerado através da reflexão da luz proveniente de uma lâmpada incandescente em um fragmento de mídia de DVD fixado em um ângulo e distância apropriados para que ocorra a difração do feixe de luz. O padrão de luz difratado gera uma imagem espectral, a qual é registrada pela câmera do dispositivo de controle usado. Através de um algoritmo elaborado para converter propriedades de cores dos pixels da imagem capturada em informações espectrais quantitativas e qualitativas.

[011] O instrumento que se apresenta não utiliza fontes de radiação de alto consumo de energia elétrica e nem dispositivos ópticos críticos. Por ser gerenciado por dispositivo portátil, apresentar pequenas dimensões e baixa massa, este instrumento é facilmente aplicável em análises de campo, laboratórios de pesquisa, análises de rotina e laboratórios didáticos de nível médio e superior. Sua resolução no comprimento de onda da radiação emitida pela fonte (lâmpada ou chama) é suficiente para executar medições com grande precisão. Os custos de produção do instrumento aliados às suas características técnicas o tornam uma opção muito atraente frente a instrumentos comerciais, principalmente para instituições de ensino carentes de recursos financeiros e/ou microempresários do ramo de produtos químicos.

[012] Em outro aspecto particular o instrumento foi desenvolvido em forma trimodular para possibilitar seu uso em dois diferentes modos de medição espectrométrica (emissão e absorção).

[013] O espectrofotômetro mostrado a seguir, em conformidade com as figuras explicativas é meramente ilustrativo, devendo ser empregado somente para uma melhor compreensão da presente invenção, não devendo, contudo, ser utilizado com o intuito de imitar os objetos descritos.

[014] A figura 1 mostra todos os componentes da invenção, um dispositivo móvel equipado com uma câmera fotográfica digital (D) acoplado a três módulos (A),

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4/7 (B) e (C) que se encaixam entre si como uma única peça, conforme ilustrado na Figura 2. Em (E) é mostrada uma vista superior da invenção com todos os módulos acoplados (A), (B) e (C) entre si e com um dispositivo móvel (D).

[015] O módulo A possui dimensões de 140 mm de comprimento, 30 mm de largura e 30 mm de altura, com três cavidades (1), (2) e (3) separadas por aletas (4) e possui toda a superfície interna pintada em branco. A cavidade 1 possui comprimento de 45 mm onde estão duas minilâmpadas incandescentes (5). A cavidade 2 é um espaço entre as aletas (4) para facilitar a difusão da luz proveniente das minilâmpadas incandescentes (5). Na cavidade 3 há o receptáculo para encaixe da cubeta (6) na qual é inserida a solução a ser analisada no espectrofotômetro.

[016] O módulo B possui uma fenda óptica de 1,0 mm (9) em sua face posterior, e esta por sua vez se encaixa perfeitamente ao módulo A, sem espaços para entrada de luz externa e possui toda a superfície interna pintada em preto. O módulo B apresenta também uma abertura superior que coincide perfeitamente com o receptáculo da cubeta (6) no módulo A. O módulo B tem o seu maior comprimento de 80 mm e apresenta uma face em diagonal com um ângulo de 45° na sua porção anterior onde se encontra o elemento dispersor de luz (fragmento de DVD), de dimensões de 30 mm x 35 mm, e a fenda óptica (9) responsáveis pela geração da imagem espectral da radiação difratada e pela atenuação desta. O ângulo e a posição do elemento dispersor na janela do módulo são parâmetros críticos para o perfeito funcionamento do espectrofotômetro. No modo de leitura por emissão, o receptáculo da cubeta fica vazio e a fenda (9) fica exposta na face oposta à do fragmento de DVD (7).

[017] O módulo C se encaixa perfeitamente ao módulo B, e tem o seu maior comprimento de 55 mm e apresenta também na sua porção anterior uma face em diagonal com ângulo de 45° onde há uma base fixa (8) para acoplar ao dispositivo móvel equipado com uma câmera digital (D). Este módulo possui uma gaveta de encaixe fixada em um suporte dispositivo móvel equipado com uma câmera digital (8), preferivelmente uma capa de poliuretano rígida compatível com o modelo de dispositivo utilizado. O conjunto é projetado e fixado de modo a impedir o deslocamento da câmera do dispositivo móvel em qualquer direção, garantindo que as

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5/7 imagens geradas mantenham as mesmas coordenadas espaciais (em pixels) em todas as fotografias tiradas.

[018] Alguns fatos são peculiares ao equipamento da invenção. As duas fontes de luz incandescente (5), são minilâmpadas provenientes de pisca-pisca natalino, alimentadas por uma fonte de voltagem de 5,5 V, podendo ser uma bateria recarregável de 9,0 V ligada a um circuito de divisor de tensão (Figura 8). O dispersor de luz (7) usado é um fragmento de DVD (7) e as aletas internas podem ser confeccionadas em MDF (4); O circuito divisor de tensão (Figura 8) contém dois resistores de 10 ΚΩ (R1 e R3) e um de 6,8 ΚΩ (R2), todos com 1/4 W de potência máxima dissipada.

[019] A aquisição de dados é efetuada por meio da câmera do dispositivo móvel (D), já o tratamento das imagens e os cálculos de quantificação são realizados por meio de um programa computacional desenvolvido especialmente para este tipo de instrumento. Outra particularidade da presente invenção é o fato da resolução mínima recomendada para a câmera do dispositivo móvel ser de 5,0 MP (2592 x 1944 pixels).

[020] O uso do equipamento da invenção é semelhante ao uso de equipamentos comerciais de absorção e emissão, cabendo ao operador definir o modo de análise no programa de gerenciamento (emissão ou absorção) e utilizar a fonte de radiação devida para modo selecionado. Ao se trabalhar no modo de absorção, cabe ao usuário conectar os três módulos, ligar a bateria do dispositivo às lâmpadas, aguardar cinco minutos para garantir a estabilidade do sinal da fonte de radiação e após isto, iniciar as medições inserindo a cubeta no receptáculo e obter os espectros do branco e depois das soluções absorventes, tudo através da tela de comandos do aplicativo de controle. No modo de emissão apenas dois módulos são conectados (o módulo de fixação e o módulo de emissão), deixando a fenda óptica (9) frontal direcionada à chama produzida no instrumento comercial, e após isso, obter os espectros através de comando apropriado no aplicativo.

[021] As aletas internas do instrumento impedem que a radiação proveniente das lâmpadas atinja diretamente a câmera, fazendo com que esta radiação seja difusa dentro do módulo de absorção e produza uma imagem espectral larga e com cores bem definidas. O princípio físico que rege esse fenômeno é Princípio de Huygens-Fresnel, no qual cada ponto de frente de onda inicial pode ser considerado como uma fonte

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6/7 secundária de ondas esféricas que se estendem em todas as direções com a mesma velocidade, frequência e comprimento de onda do processo. Para um melhor entendimento, na Figura 3 são apresentadas duas imagens espectrais oriundas de uma mesma fonte obtidas na presença (esquerda) e na ausência (direita) destas aletas. Os resultados das medições são totalmente dependentes do uso destas aletas, pois a quantidade de pixels da subimagem selecionada para tratamento matemático é maior e, com isso, diminuem os erros nos cálculos dos comprimentos de onda para cada cor do espectro.

[022] A calibração dos comprimentos de onda do espectro visível é feita através do uso de quatro LEDs como fontes de referência. A faixa espectral total (430 - 630 nm) foi dividida em quatro bandas de calibragem (430 - 490 nm); (490-510 nm); (510 - 580 nm) e (580 - 630 nm). Os valores nominais de comprimento de onda para cada LED devem estar dentro de cada intervalo supracitado. Para a calibração, o instrumento que se apresenta deve estar em modo de emissão e os quatro LEDs alimentados com 5,5 V e corrente de 50 mA. A distância entre o módulo de emissão e os LEDs deve ser entre 40 e 50 mm, a fim de fornecer energia radiante suficiente para adquirir as imagens espectrais. A imagem espectral obtida a partir dos LEDs é processada por uma subrotina para automatizar este procedimento depois de pressionar um botão chamado calibrar. Os picos detectados no espectro gerado são comparados com os valores de comprimento de onda nominal registrados na memória e, em seguida, calibração é realizada por interpolação linear aplicada às bandas de calibragem. Recomenda-se que a calibração ser realizada pelo menos uma vez por mês.

[023] Os resultados apresentados nas figuras 5 e 7 ilustram o funcionamento da invenção frente a equipamentos de referência para determinação de ferro em amostras de medicamentos (absorção molecular) e determinação de sódio em amostras de águas naturais (emissão óptica em chama), através de curvas de calibração. Na Figura 4 são apresentados a curva de calibração (b) obtida com soluções de Fe(II) de 0,5 a 6,0 ppm e os espectros (a) correspondentes a cada uma delas. O coeficiente de correlação linear para esta curva foi 0,9991 e a equação obtida foi A = 0,1148 + 0,2198C, onde A é a absorbância e C é a concentração de ferro (II) em ppm. Os resultados das análises feitas em quintuplicatas através do instrumento proposto foram comparados com aqueles

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7/7 obtidos por um espectrofotômetro comercial (referência) apresentando grande concordância entre si, conforme apresentado na Figura 5.

[024] Na Figura 6 são apresentados os picos de emissão obtidos com soluções de Na+ de 0,5 a 4,0 ppm bem como suas imagens espectrais correspondentes. O coeficiente de correlação linear para esta curva foi 0,9994 e a equação e a equação obtida foi ||vrob|| = 0,0083 + 0,0823C, onde ||vr_GB|| é a norma do vetor RGB e C é a concentração de sódio em ppm. Os resultados das análises feitas em quintuplicatas através da invenção e foram comparados com os obtidos por um fotômetro de chama comercial, usado como referência, apresentando grande concordância, conforme apresentado na Figura 7.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. ESPECTROFOTÔMETRO PORTÁTIL DE ABSORÇÃO/EMISSÃO NA REGIÃO DO VISÍVEL, UTILIZANDO LÂMPADA INCANDESCENTE E DISPOSITIVO MÓVEL, que é um equipamento portátil para realizar análises de absorção molecular nas regiões espectrais do ultravioleta (100-400 nm); luz visível (400-700 nm); infravermelho próximo (700-1500 nm) e apresentar um sistema de espalhamento da radiação eletromagnética, com o uso de aletas internas, fazendo com que as duas lâmpadas utilizadas como fonte de radiação eletromagnética se comportem como uma única fonte de luz pontual sendo de autonomia energética, sendo passível de aplicações em análises in situ, caracterizado pelo fato de apresentar um caráter modular constituído por:

a. Um módulo de medida de Absorção Molecular em diversas regiões espectrais;

b. Um módulo de medida de Emissão Óptica;
2. ESPECTROFOTÔMETRO PORTÁTIL DE ABSORÇÃO/EMISSÃO NA REGIÃO DO VISÍVEL, UTILIZANDO LÂMPADA INCANDESCENTE E DISPOSITIVO MÓVEL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do designe possibilitar um acoplamento em aparelhos selecionados entre smartphones, tabletes e notebooks;
3. ESPECTROFOTÔMETRO PORTÁTIL DE ABSORÇÃO/EMISSÃO NA REGIÃO DO VISÍVEL, UTILIZANDO LÂMPADA INCANDESCENTE E DISPOSITIVO MÓVEL, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato do equipamento compreender:

a. Lâmpadas incandescentes como fonte de radiação eletromagnética;

b. Fragmento de uma mídia digital como elemento dispersor;

c. Câmera de dispositivo móvel acoplado como detector espectral.
4. ESPECTROFOTÔMETRO PORTÁTIL DE ABSORÇÃO/EMISSÃO NA REGIÃO DO VISÍVEL, UTILIZANDO LÂMPADA INCANDESCENTE E DISPOSITIVO MÓVEL, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato da mídia digital ser selecionada de fragmentos de CD, DVD ou de Blu-ray.

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FIGURAS

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