ES2343883T3 - Sensor optico para medir oxigeno. - Google Patents

Abstract

Sensor óptico para la medición de oxígeno en un medio, que está dotado de un sustrato en el cual está embebido un complejo organometálico, caracterizado porque el sustrato comprende un polímero de silicona fluorada.

Description

Sensor óptico para medir oxígeno.

La presente invención se refiere a un sensor óptico para la medición de oxígeno en un medio, que está dotado de un sustrato en el cual está embebido un complejo organometálico.

El complejo organometálico es un colorante fluorescente sensible al oxígeno, siendo la cantidad de fluorescencia y la vida de la fluorescencia dependientes del contenido en oxígeno en el medio. Dicho organometal típicamente comprende Tris-Ru^{2+}-4,7-bifenil-1,10-fenantrolina; este complejo de Ru (rutenio) es particularmente sensible al oxígeno, pero se pueden utilizar también otros organometales, tales como un complejo de Os o un complejo de Pt.

El complejo organometálico se adsorbe normalmente a un gel de sílice. El gel de sílice puede adsorber una concentración alta del colorante sin que de este modo se vean afectadas las propiedades fluorescentes del material. El gel de sílice con el colorante adsorbido se embebe en un sustrato de material polimérico, por ejemplo, una mezcla de PDMS (polidimetilsiloxano) y PTMSP (politrimetilsililpropilo), polímeros que son permeables a los gases en un grado elevado, de modo que la respuesta del sensor a los cambios en el contenido de oxígeno puede ser rápida. Al ser embebido en el sustrato, el complejo organometálico se hace insensible a las influencias negativas, tales como, por ejemplo, la acción de la humedad o la lixiviación del componente fluorescente.

Mediante las mediciones de fluorescencia se puede determinar el nivel de contenido de oxígeno en el medio. Dicha medición se puede llevar a cabo de forma relativamente simple, pero presenta la desventaja de que los resultados de la medición, debido a la existencia, por ejemplo, de blanqueamiento por luz ("photobleaching") o envejecimiento del sensor debido a las temperaturas elevadas, no son reproducibles con el paso del tiempo.

Este fenómeno tiene lugar en particular si las mediciones se llevan a cabo en casos en los que el medio comprende aceite de consumo, tal como aceite de pescado, aceite de girasol, etc. En la práctica, existe un interés en la determinación del contenido de oxígeno en dicho medio con el objetivo de calcular la vida de almacenamiento del mismo. Sin embargo, debido a la acción química del medio, se ha encontrado que las mediciones con el sensor aplicadas hasta este momento no son fiables con el paso del tiempo.

Este fenómeno también tiene lugar como resultado de una carga de temperatura elevada del sensor, por ejemplo, cuando se utiliza el sensor como información de la proporción de gas-aire en un aparato de combustión. Además, este fenómeno tiene lugar si el sensor se expone durante un periodo relativamente largo, por ejemplo, en el caso de las mediciones del contenido de oxígeno en aguas subterráneas.

Con la estabilización del sensor se intentan evitar estos problemas. Esto ha demostrado que un material de sustrato estable químicamente de forma inherente y permeable a los gases no es realmente satisfactorio: para ello, la interacción química con el colorante embebido, que debe mantener sus propiedades de sensibilidad al oxígeno, y el sustrato es demasiado compleja. Por lo tanto, hasta la fecha no se conoce ningún sustrato que combinado con el colorante sensible al oxígeno siga manteniendo sus propiedades favorables.

Por consiguiente, el objetivo de la presente invención es solucionar el problema descrito anteriormente y dar a conocer un sustrato para embeber un colorante sensible al oxígeno, mientras que el sensor formado de este modo es estable químicamente en un grado elevado, tiene una resistencia a la temperatura elevada en un intervalo de temperaturas relevante y es permeable a los gases en un grado elevado.

Este objetivo se consigue según los aspectos de la reivindicación 1. De forma sorprendente, a partir de los experimentos se encontró que un polímero de este tipo posee las propiedades requeridas mencionadas.

El documento GB-A-132 348 da a conocer un sensor óptico para la medición de oxígeno en un medio, que está dotado de un sustrato en el cual está embebido un complejo organometálico, en el que el sustrato comprende un polímero de silicona, tal como GE RTV Silastic 118 (RTM) o un polímero fluorado, tal como Teflon.

El documento US-A-5 338 429 da a conocer un sensor de gas electroquímico en el que se utiliza una membrana permeable a los gases como capa límite entre el gas que se va a detectar y el contenido del sensor de gas electroquímico.

El documento US-A-5 512 490 da a conocer un sistema de detección óptico que comprende una sustancia polimérica mezclada con un colorante semisensible, que puede reaccionar con un analito. Sin embargo, no da a conocer un dispositivo sensor de oxígeno, en el que un complejo organometálico esté embebido en un sustrato que comprende un polímero de silicona fluorada.

La presente invención se puede aplicar con una ventaja particular si el medio es un aceite de consumo, tal como, por ejemplo, aceite de girasol, si la medición se lleva a cabo a temperaturas elevadas, o si el sensor se expone durante un tiempo relativamente alto. Una propiedad adicional ventajosa es que se ha encontrado que el sustrato se adhiere bien al vidrio. Como consecuencia, en la práctica, el contenido de oxígeno se puede simplemente determinar en productos de aceite de consumo que se almacenan en vidrio, hecho mediante el cual, a su vez, se puede obtener la vida de almacenamiento y el sensor no se volverá impreciso a temperaturas elevadas o en entornos agresivos químicamente.

En una realización preferente, el polímero de silicona fluorada es el polímero que la empresa Wacker comercializa bajo el nombre comercial de Elastosil E113F. Entre los materiales de sustrato ensayados, se ha encontrado que este polímero presenta la mejor estabilidad a cargas a temperatura elevada.

La presente invención se aclarará, a continuación, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que

la figura 1a muestra un diagrama que indica esquemáticamente la forma en la que el sensor se puede disponer en contacto con el medio, con respecto a una unidad de medición, con el sensor dispuesto en el medio;

la figura 1b muestra un diagrama de una combinación de sensor/unidad de medición;

la figura 2 muestra un gráfico que representa la resistencia al blanqueamiento por luz de un sustrato convencional y de un sustrato según la presente invención;

la figura 3 muestra un gráfico que representa la resistencia a la acción química de aceite de girasol de un sustrato convencional y de un sustrato según la presente invención;

la figura 4 muestra un gráfico que representa la resistencia a la carga de temperatura de un sustrato convencional y de un sustrato según la presente invención.

En referencia a la figura 1a, un recipiente transmisor de luz (1), por ejemplo de vidrio, contiene un medio (2), por ejemplo, un aceite de consumo. Con la disposición, se puede medir el contenido en oxígeno en el aceite (2). Este oxígeno se disuelve en el aceite en el que se establece un equilibrio entre el oxígeno en el aire (11) y el oxígeno en el aceite (2). El sensor óptico (3) de la presente invención se dispone en el recipiente (1) fijándolo a la pared (12). El sensor comprende un sustrato (4) y un colorante sensible al oxígeno (5), que comprende un complejo organometálico. La luz (9) de un espectro de longitud de onda determinado, que proviene de una lámpara (7) de un detector (6) se proyecta sobre el sensor (3), dando lugar de este modo a fluorescencia en el colorante (5). La fluorescencia comprende luz de un espectro de longitud de onda diferente (10), que se irradia al detector y se recibe en un convertidor fotoeléctrico (8). Según la presente invención, el sustrato (4) comprende un polímero de silicona fluorada. Debido a la permeabilidad a los gases del sustrato (4), el oxígeno del aceite (2) puede interaccionar con el complejo organometálico. Como resultado, la cantidad de fluorescencia está influenciada por la cantidad de oxígeno en el medio. Midiendo la intensidad emitida o la vida de la fluorescencia (10) se puede establecer el grado de la influencia, y a partir del mismo, el contenido de oxígeno.

En referencia a la figura 1b, una combinación de sensor/unidad de medición (13) contiene una lámpara (7) y un convertidor fotoeléctrico (8) y un sensor (3) que se dispone en la parte exterior del sensor/unidad de medición (13). Con la disposición se puede medir, por ejemplo, la proporción de gas-aire en un aparato de combustión.

La figura 2 muestra un gráfico que refleja el modo en que un sensor, tal como se indica en la figura 1 con la referencia numérica (3), en dos diseños, se irradió durante una hora con una cantidad constante de luz de una intensidad de luz elevada. Mediante el efecto de blanqueamiento por luz, después de varios minutos, aparece una fluorescencia reducida, como resultado de la cual el sensor se vuelve cada vez menos sensible. En el gráfico, el eje y representa una intensidad de luz irradiada por el sensor, como consecuencia de la irradiación del sensor con una cantidad de luz constante, normalizada a 1. El eje x representa el tiempo, en minutos, en el que se midió la fluorescencia. A partir del gráfico se puede deducir que el efecto de blanqueamiento por luz es considerablemente inferior en un sensor con un sustrato que comprende un polímero de silicona fluorada (línea superior) con respecto a un sensor con un sustrato de un polímero de silicona convencional (línea inferior). De forma casual se percibe que en condiciones de funcionamiento normales, la intensidad de la luz utilizada es muy inferior, de modo que el fenómeno no ocurre tan pronto. Sin embargo, la desviación sigue siendo proporcionalmente la misma.

La figura 3 representa un gráfico que refleja la resistencia a la acción química del aceite de girasol de un sustrato convencional y de un sustrato según la presente invención; en los dos ensayos se colocó un sensor en aceite de girasol durante un periodo de tiempo prolongado de varias semanas, mientras que el aceite de girasol se expuso al aire. Se midió el decaimiento de la fluorescencia a intervalos regulares de tiempo, es decir, el tiempo en el que la intensidad ha disminuido a 1/e. Debido a la acción del aceite, en un sustrato convencional, este tiempo de decaimiento aumenta después de algún tiempo, es decir, la sustancia sensible permanece fluorescente durante más tiempo que en el caso en el que no tiene lugar la acción del aceite, a pesar del hecho de que la concentración de oxígeno permanezca constante. La sensibilidad del sensor, por lo tanto, está influenciada por la acción, de modo que no se puede hacer ninguna medición fiable del contenido de oxígeno. En el gráfico, el eje y representa este tiempo de decaimiento, normalizado a 1, frente al tiempo de medición, en días, representado en el eje x. A partir del gráfico se puede deducir que un sensor con un sustrato que comprende un polímero de silicona fluorada (línea inferior) tiene una resistencia a las acciones químicas mucho mejor, sustancialmente constante, respecto a un sensor con un sustrato de un polímero de silicona convencional (línea superior).

La figura 4 es un gráfico que representa la resistencia a las cargas de temperatura de un sustrato convencional y de un sustrato según la presente invención; en los dos ensayos se expuso un sensor al aire a una temperatura ambiental elevada durante cinco semanas. En el gráfico se puede observar que después de la exposición a esta temperatura tiene lugar una fluorescencia reducida, de modo que el sensor se vuelve menos sensible. En el gráfico, el eje y representa una intensidad de luz irradiada por el sensor, como resultado de la irradiación del sensor con una cantidad constante de luz, normalizada al 100%. Para cada uno de los tres materiales de soporte diferentes, el eje x representa dos mediciones respectivas, una en la que el sensor se almacenó a 20ºC y una en la que el sensor se almacenó a 90ºC. Del gráfico se puede obtener que para un polímero de silicona convencional (a) la intensidad del sensor disminuye hasta el 20% del valor con respecto al sensor almacenado a temperatura ambiente. La sensibilidad del sensor, por lo tanto, disminuye considerablemente. Para un sensor con un soporte según la presente invención (una mezcla de PS184.5 y PS9120 de la empresa United Chemicals Inc), la sensibilidad disminuye comparativamente menos, hasta aproximadamente el 30%, de modo que en comparación con el sensor convencional, se consigue una resistencia a la temperatura mejorada (c). Para un sensor según la realización preferente, es decir, un sensor con un sustrato del tipo Elastosil E113F de la empresa Wacker, esta influencia de la temperatura es un factor 2 menos elevado y la intensidad permanece hasta el 70% del valor a temperatura ambiente (b).

La presente invención no está limitada de ningún modo a las realizaciones de ejemplo descritas y representadas en el presente documento, pero abarca todos los tipos de modificaciones en la medida que se incluyan naturalmente en el alcance de la protección de las reivindicaciones que se indican a continuación.

Claims (2)

1. Sensor óptico para la medición de oxígeno en un medio, que está dotado de un sustrato en el cual está embebido un complejo organometálico, caracterizado porque el sustrato comprende un polímero de silicona fluorada.

2. Utilización de un sensor óptico, según la reivindicación 1, para la medición del contenido de oxígeno en un medio.