ES2374885B1

ES2374885B1 - Módulo y procedimiento para la medida de clorofila y otros pigmentos mediante la determinación de la fluorescencia lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas.

Info

Publication number: ES2374885B1
Application number: ES201131171A
Authority: ES
Inventors: Jordi Cros Herrero; Montserrrat Batlle Ribas; Miquel Pujadas Escorihuela; Oliver Novella Flore
Original assignee: Adasa Sist S S A U; Adasa Sistemas Sau
Current assignee: Adasa Sist S S A U; Adasa Sistemas Sau
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-01-29
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: ES2374885A1

Abstract

Procedimiento y módulo óptico integrable en una sonda para la medida de clorofila y otros pigmentos mediante la determinación de la fluorescencia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas provisto de unos medios de emisión (4) ópticos, para emitir una señal óptica (5), en dirección a una muestra (2) de fluido susceptible de contener clorofila u otros pigmentos. La señal óptica (5) se separa en una primera parte de la señal óptica (5a) y una segunda parte de la señal óptica (5b) que se dirige hacia la muestra. La señal óptica de fluorescencia (5c) emitida por la muestra se recibe mediante unos segundos medios de recepción (7b) ópticos, formando la señal óptica de fluorescencia que se recibe por los segundos medios de recepción ópticos un primer ángulo ({al}) agudo con la dirección de máxima radiación de la segunda parte de la señal óptica (5b).

Description

Módulo y procedimiento para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas. Sector técnico de la invención

La invención se reﬁere a un procedimientoyaun módulo óptico integrable en una sonda para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas. Antecedentes de la invención

Para efectuar el control de calidad de aguas, y más concretamente en embalses y lagos, la medida de la cloroﬁla permite determinar el contenido de ﬁtoplancton, existiendo dichos dispositivos que permiten medir la cloroﬁla.

En dichos dispositivos se determina la cantidad de cloroﬁla en una muestra de líquido haciendo incidir luz a la muestra y realizando mediciones de emisiones a longitudes de onda especíﬁcas y diferentes de la excitación, como por ejemplo excitando a 430 nm y midiendo a 663 nm, tal y como se describe en el método ESS 10200H. La molécula de cloroﬁla tiene la capacidad de excitarse al absorber la energía lumínica a 430 nm, la energía del estado excitado solo puede mantenerse durante un corto periodo de tiempo, decayendo y recuperando el estado de reposo que como resultante conlleva la emisión de energía en forma de luz a 663 nm. Este fenómeno se conoce como ﬂuorescencia que no es más que la capacidad de determinadas moléculas de emitir luz a una longitud de onda especíﬁca después de ser excitadas a una longitud de onda determinada.

Otros pigmentos ﬁcobilínicos como la Ficocianina permiten la detección de algas azules-verdosas, entre las que se encuentran las cianobacterias, que son tóxicas. Dicho pigmento también es ﬂuorescente, emitiendo cerca de 650 nm al ser excitado con una luz anaranjada, cerca de 620 nm.

Para realizar las mediciones de la ﬂuorescencia a las diferentes longitudes de onda deseadas se utilizan diferentes detectores dotados de ﬁltros de banda pasante a las longitudes de onda de interés.

Aunque se puede obtener la variación de la señal óptica directamente a partir del valor de emisión resultante tras su paso por la muestra, es recomendable contrastarla con una tensión de referencia de la señal óptica emitida, previa a su paso por la muestra, tal y como se describe en el documento de patente JP9304272. No obstante esta tensión de referencia irá variando a lo largo del tiempo de vida de los medios de emisión ópticos, impidiendo que las etapas posteriores de procesado puedan disponer de una tensión de referencia constante e idónea para calcular la ﬂuorescencia de la muestra, además de requerir una fase previa de calibración.

Es conocido el dispositivo descrito en el documento de patente US5593854 que permite la medida de una señal de ﬂuorescencia generada por una muestra al incidir en ella una señal óptica emitida por un led, alimentada por un tren de pulsos. Dicho dispositivo permite el ajuste de la frecuencia del tren de pulsos que modulan la señal óptica para mantener constante la relación entre la componente AC y DC de la señal de ﬂuorescencia, siendo el valor de dicho ajuste de frecuencia proporcional al crecimiento bacteriano en la muestra. No obstante, a lo largo del tiempo de vida del led, la señal óptica emitida por éste se irá degradando, disminuyendo progresivamente la potencia emitida al alimentarlo con el mismo tren de pulsos, por lo que disminuirá el tiempo de vida útil del led o se deberá calibrar periódicamente la relación entre la componente AC y DC de la señal de ﬂuorescencia deseada. El dispositivo descrito en el documento de patente US5593854 no evita que parte de la señal óptica emitida por el led sea recibida juntamente con la señal de ﬂuorescencia, incrementándose la posibilidad de que ésta interﬁera la medición de la ﬂuorescencia.

Algunos dispositivos conocidos para medir la ﬂuorescencia u otros parámetros ópticos utilizan conversores analógico-digital de modo que las señales pueden ser procesadas digitalmente. En consecuencia, se consigue una mejor resolución en los valores de medición, pero el uso de componentes digitales encarece signiﬁcativamente el dispositivo y requiere más componentes electrónicos con el consiguiente incremento de consumo eléctrico y volumen de almacenamiento. Al estar destinado estos dispositivos a instalarse en estaciones remotas de control de calidad de agua, es preferible disponer de dispositivos que aunque no tengan tanta resolución en sus valores de medición tengan un consumo más moderado y puedan ser instalados en carcasas compactas.

La presente invención intenta superar los problemas mencionados anteriormente para proporcionar un módulo óptico para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia compacto y barato. Explicación de la invención

El procedimiento de la presente invención para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas es de los que comprenden los pasos de generar una señal de alimentación eléctrica con una componente continua y una componente sinusoidal a una primera frecuencia; alimentar con dicha señal de alimentación unos medios de emisión ópticos, para emitir una señal óptica, en dirección a una muestra de ﬂuido susceptible de contener cloroﬁla u otros pigmentos, teniendo la portadora de dicha señal óptica una primera longitud de onda predeﬁnida y siendo la moduladora de dicha señal óptica la señal de alimentación; separar dicha señal óptica en una primera parte de la señal óptica, que se dirige a unos primeros medios de recepción ópticos, y una segunda parte de la señal óptica que se dirige hacia la muestra; recibir la primera parte de la señal óptica mediante los primeros medios de recepción ópticos, en base a la primera longitud de onda, y recibir la señal óptica de ﬂuorescencia mediante unos segundos medios de recepción ópticos en base a la longitud de onda de ﬂuorescencia.

En esencia, la señal óptica de ﬂuorescencia que se recibe por los segundos medios de recepción ópticos forma un primer ángulo agudo con la dirección de máxima radiación de la segunda parte de la señal óptica y porque comprende además los pasos de procesar la señal obtenida por los primeros medios de recepción ópticos para obtener una tensión de referencia proporcional a la amplitud de la componente sinusoidal a la primera frecuencia; y procesar la señal obtenida por los segundos medios de recepción ópticos para obtener una tensión de ﬂuorescencia proporcional a la amplitud de la componente sinusoidal a la primera frecuencia; y comparar la tensión de ﬂuorescencia con la tensión de referencia para obtener un valor relativo de la ﬂuorescencia; y si la tensión de referencia disminuye por debajo del valor inicial de dicha tensión de referencia, incrementar la señal de alimentación eléctrica para que la tensión de referencia obtenida se mantenga constante. De esta manera se evita la interferencia creada por la disminución de la segunda parte de la señal óptica sobre la señal de ﬂuorescencia, además de aumentar la intensidad de la señal de alimentación para conseguir que la potencia emitida por los medios de emisión se mantenga constante y, ventajosamente, se obtenga la misma tensión de referencia durante toda la vida útil de los medios de emisión ópticos. Así se evita que dicha tensión de referencia se degrade, por ejemplo al envejecer los medios de emisión ópticos.

En una variante de interés, el primer ángulo de 35 grados, minimizando la interferencia creada por la segunda parte de la señal óptica sobre la señal de ﬂuorescencia por su reﬂexión y refracción en la muestra.

En una variante de interés, el procesado de la señal obtenida por los primeros y segundos medios de recepción ópticos comprende una primera etapa de demodulación coherente de la señal mediante la primera frecuencia y una segunda etapa de ﬁltrado paso bajo para obtener la componente continua de la señal de salida de la etapa de demodulación coherente, que permiten discriminar otras señales interferentes que podrían haber sido captadas por los medios de detección.

En una variante, la primera longitud de onda y la longitud de onda de ﬂuorescencia son diferentes, evitándose interferencias en la recepción.

Según otra característica, la primera longitud de onda es de 430 nm y la longitud de onda de ﬂuorescencia es de 680 nm, siendo dichas longitudes de onda adecuadas para detectar la cloroﬁla.

En otra variante de interés, la primera longitud de onda es de 620 nm y la longitud de onda de ﬂuorescencia es de 650 nm, siendo dichas longitudes de onda adecuadas para detectar pigmentos ﬁcobilínicos, como la Ficcocianina.

El módulo de la presente invención para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas es de los que comprende unos medios de alimentación, adaptados para generar una señal de alimentación eléctrica, dotados de un limitador de corriente; unos medios de emisión ópticos, adaptados para generar una señal óptica a una primera longitud de onda; unos medios para la conducción o contención de una muestra de líquido; unos medios de separación ópticos adaptados para dirigir una primera parte de la señal óptica hacia unos primeros medios de recepción ópticos, y una segunda parte de la señal óptica hacia los segundos medios de recepción ópticos; unos primeros medios de recepción ópticos adaptados para recibir radiación electromagnética a la primera longitud de onda; y unos segundos medios de recepción ópticos adaptados para recibir radiación electromagnética a una longitud de onda de ﬂuorescencia.

En esencia, el módulo se caracteriza porque la dirección de máxima recepción de los segundos medios de recepción ópticos forman un primer ángulo agudo con la dirección de máxima radiación de la segunda parte de la señal óptica y porque comprende además unos medios de detección del valor de la amplitud de la componente alterna de la señal de salida de los primeros y segundos medios de recepción ópticos a la primera frecuencia, determinando una tensión de referencia y una tensión de ﬂuorescencia respectivamente; unos medios de comparación para establecer la relación entre los valores de dicha tensión de referencia y dicha tensión de ﬂuorescencia; y unos medios compensadores de la corriente de los medios de alimentación, para aumentar la señal de alimentación eléctrica generada por dichos medios de alimentación para que la tensión de referencia se mantenga constante.

En una variante del módulo, el primer ángulo es de 35 grados.

De acuerdo con otra característica, los medios de detección comprenden sendos ampliﬁcadores de lockin.

En otra variante de interés, la dirección de máxima radiación de la segunda parte de la señal óptica y la dirección de máxima recepción de los segundos medios de recepción ópticos forma un primer ángulo agudo, evitando que las reﬂexiones de dicha segunda parte de la señal óptica interﬁeran en la medida. En una variante preferida dicho primer ángulo es de 35 grados.

En otra variante, los medios de contención, en posición operativa, forman un segundo ángulo de entre 0 y 45 grados con la horizontal, siendo dicho segundo ángulo de 10 grados en una variante preferida de realización.

En una variante, el elemento emisor es un diodo led y en otra variante es un láser, preferentemente un láser DPSSL (Diode-Pumped Solid-State Laser).

La sonda sumergible de la presente invención se caracteriza porque comprende al menos un módulo para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas. Breve descripción de unas variantes de la invención

En los dibujos adjuntos se ilustra, a título de ejemplo no limitativo, el procedimiento, módulo óptico y sonda para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas según la invención. En concreto;

la Fig. 1, es un diagrama de bloques del módulo óptico;

la Fig. 2, es una vista en sección de un módulo óptico sumergible para calcular la ﬂuorescencia según el diagrama de bloques de la Fig. 1;

la Fig. 3, es una vista en sección de una variante sumergible del módulo óptico;

la Fig. 4, es una vista en sección de otra variante sumergible del módulo óptico; y

la Fig. 5 es una vista lateral de una sonda sumergible que comprende un módulo óptico en su interior. Descripción detallada de las variantes de la invención

La descripción que sigue hace referencia a los dibujos antes explicados, que permiten apreciar con detalle las diferentes partes de que está formado el módulo 1 óptico de la presente invención.

La Fig. 1 muestra los diferentes bloques que forman el módulo 1 óptico para la medida de la ﬂuorescencia de una muestra de líquido.

La Fig. 1 muestra los diferentes bloques que forman el módulo 1 óptico para la medida de parámetros de una muestra 2 de líquido, particularmente la ﬂuorescencia a una longitud de onda (lambda) aunque también es adecuado para medir otros parámetros físico-químicos de un líquido tales como la absorbancia o la difracción.

Tal y como se puede ver en la Fig. 1, el módulo 1 dispone de unos medios de alimentación 3 adaptados para generar una señal de alimentación 13 con componentes continua y alterna. La componente continua tiene una intensidad Idc y la componente alterna es una señal sinusoidal de intensidad Iac y una primera frecuencia conocida. La señal de alimentación 13 se utiliza para alimentar unos medios de emisión 4 ópticos que emiten una señal óptica 5 a una primera longitud de onda. En las variantes representadas en las Figs. 2 y 3 los medios de emisión 4 ópticos consisten en un led 14 a una primera longitud de onda 430 nm adecuada para que la cloroﬁla que pueda contener la muestra 2 genere una señal óptica de ﬂuorescencia 5c a una longitud de onda de ﬂuorescencia de 680 nm. En caso que se desee medir los pigmentos ﬁcobilínicos, como la Ficcocianina, que pueda contener la muestra 2, la primera longitud de onda será alrededor de 620 nm, emitiendo los pigmentos ﬁcobilínicos de la muestra 2 una señal óptica de ﬂuorescencia 5c a una longitud de onda de ﬂuorescencia alrededor de los 650 nm.

Para que el led 14 emita adecuadamente, la intensidad aportada por su señal de alimentación 13 ha de ser positiva y estar en el rango adecuado de su zona de trabajo, es decir, aquella que permita que el led 14 emita radiación electromagnética cuya potencia pueda ser correctamente detectada por los medios de recepción 7a, 7b ópticos, tal y como se explica con posterioridad, al ser el led 14 alimentado entre Idc-Iac e Idc+Iac. Así se consigue que el led 14 emita una señal óptica 5 modulada en amplitud, cuya moduladora será la señal de alimentación 13 y cuya portadora tendrá la longitud de onda de emisión del led 14.

La señal óptica 5 generada por el led 14 se separa en una primera parte 5a, que se dirige hacia unos primeros medios de recepción 7a ópticos adaptados para recibir la misma longitud de onda que la emitida por el led 14, y en una segunda parte 5b que se dirige hacia la muestra 2. Tras incidir dicha segunda parte de la señal óptica 5b con la muestra 2, la cloroﬁla que pueda contener dicha muestra 2 reaccionará generando una señal óptica de ﬂuorescencia 5c, de modo conocido.

Dicha señal óptica de ﬂuorescencia 5c se detecta mediante unos segundos medios de recepción 7b ópticos adaptados para recibir una longitud de onda de ﬂuorescencia predeterminada.

En las variantes de las Figs. 2 a 4, los primeros medios de recepción 7a son fotodiodos 17a cuya longitud de onda de recepción es la misma que emite el led 14 y los segundos medios de recepción 7b son fotodiodos 17b cuya longitud de onda de recepción es la misma que la longitud de onda de la señal óptica de ﬂuorescencia 5c. Naturalmente otros dispositivos de los conocidos en el estado de la técnica para obtener la envolvente de una señal óptica, tales como fototransistores, pueden ser alternativamente utilizados. Para evitar interferencias entre señales, los fotodiodos 17a, 17b pueden dotarse de ﬁltros 16a, 16b a la longitud de onda de interés. Además, como se puede observar en la Fig. 2, la dirección de máxima emisión de la segunda parte de la señal óptica 5b y la dirección de máxima recepción de la señal óptica de ﬂuorescencia 5c forma un primer ángulo α agudo, de 35 grados, minimizando la incidencia de la segunda parte de la señal óptica 5b en el segundo fotodiodo 17b debido a su reﬂexión en los medios de conducción 12, o difracción en la muestra 2. Ventajosamente, al incidir en la muestra 2, la segunda parte de la señal óptica 5b se aleja del módulo 1, evitando interferir en las medidas.

Para mejorar el nivel de la señal a la salida de cada uno de los fotodiodos 17a, 17b estos incorporan unos medios de preampliﬁcación, que proporcionan la ganancia a la señal de salida de ambos fotodiodos 17a, 17b. No obstante, el ancho de banda de los fotodiodos 17a, 17b no es suﬁcientemente estrecho para eliminar otras señales ópticas interferentes, tales como señales provenientes de módulos 1 ópticos u otras fuentes lumínicas próximas, y se requiere una posterior fase de tratamiento mediante unos medios de detección 8a, 8b homodinos que comprenden una primera etapa de demodulación coherente a la primera frecuencia y una segunda etapa de ﬁltrado paso bajo, con lo que se consigue obtener a la salida de los medios de detección 8a, 8b un valor de tensión equivalente a la amplitud de la componente, a la primera frecuencia, de la señal de entrada de los medios de detección 8a, 8b. En la variante de la Fig. 2, los medios de detección 8a, 8b son ampliﬁcadores de lock-in 18a, 18b analógicos de los conocidos en el estado de la técnica, y que utilizan como señal de referencia la señal de alimentación 13.

Los ampliﬁcadores de lock-in 18a, 18b permiten obtener un valor de salida esencialmente continuo, proporcional a la amplitud de la componente alterna de su señal de entrada a la frecuencia de su señal de referencia. En el contexto de la invención, la señal de entrada de cada ampliﬁcador de lock-in 18a, 18b es la señal preampliﬁcada correspondiente a la salida de cada uno de los fotodiodos 17a, 17b y la señal de referencia es la señal de alimentación 13, tal y como se puede observar en las Figs 1 y 2. Se debe tener en cuenta que el valor de salida de los ampliﬁcadores de lock-in 18a, 18b estará atenuado proporcionalmente al desfase entre su señal de entrada y su señal de referencia a la primera frecuencia. Idealmente, si ambas señales están en fase a esa frecuencia no habrá atenuación, pero puede suceder que la atenuación introducida por dicho desfase degrade excesivamente el valor de salida de los ampliﬁcadores de lock-in 18a, 18b o incluso lo cancele. Por tanto, en este caso será necesario introducir etapas de sincronización o retraso entre la señal de entrada de cada ampliﬁcador de lock-in 18a, 18b y la señal de alimentación 13.

A la salida de los ampliﬁcadores de lock-in 18a, 18b se obtiene, respectivamente, una tensión esencialmente continua y proporcional a la amplitud de la moduladora de las correspondientes señales ópticas recibidas por los fotodiodos 17a, 17b.

Naturalmente, para que estos valores sean comparables posteriormente, en caso que los ampliﬁcadores de lock-in 18a, 18b tengan una etapa interna de ampliﬁcación, la ganancia aportada por ambos ampliﬁcadores de lock-in 18a, 18b debe ser constante. La tensión de salida del primer ampliﬁcador de lock-in 18a es la tensión de referencia 10a, que será siempre igual o superior a la tensión de ﬂuorescencia 10b obtenida a la salida del segundo ampliﬁcador de lockin 18b. El valor relativo de la ﬂuorescencia 20 se calcula comparando la tensión de referencia 10a con la tensión de ﬂuorescencia 10b en unos medios de comparación 9, que en la variante de la Fig. 2 consisten en un ampliﬁcador logarítmico 19 que proporciona a su salida el valor relativo de la ﬂuorescencia 20 en decibelios. Dichos componentes no se muestran en las variantes mostradas en las Figs. 3 a 5 para simpliﬁcar las Figuras. Este valor relativo de la ﬂuorescencia 20 es proporcional al logaritmo de la ﬂuorescencia de la muestra 2 a la longitud de onda de emisión del led 14 y es transportado posteriormente a una estación de medición, como se verá más adelante, para su monitorización y procesado. Como se puede observar en las Figs.2a4,los módulos 1 comprenden bornes 21 para alimentar el módulo y poder transmitir el valor relativo de la ﬂuorescencia 20 obtenido a una estación remota, como se describirá más adelante.

Es de especial interés que dicha tensión de referencia 10a sea constante y de un valor adecuado para poder efectuar correctamente la comparación entre la tensión de referencia 10a y la tensión de ﬂuorescencia 10b.

Debido al envejecimiento del led 14 a lo largo de su tiempo de vida, la potencia de la señal óptica 5 que éste emite va disminuyendo para una misma intensidad de alimentación. En consecuencia, la tensión de referencia 10a del ampliﬁcador logarítmico 19 también disminuiría, no manteniéndose constante tal y como sería deseable a lo largo de toda la vida útil del led 14.

Ventajosamente, el módulo 1 de la presente invención usa la tensión de referencia 10a para compensar los medios de alimentación 3, a través de unos medios compensadores 23 que evalúan la tensión de referencia 10a y actúan sobre los medios de alimentación 3, de modo que cuando por efecto de envejecimiento del led 14 la tensión de referencia 10a disminuye, se aumenta proporcionalmente la intensidad ofrecida por los medios de alimentación 3 al led 14 para conseguir mantener la tensión de referencia 10a constante. Los medios de alimentación 3 disponen además de un limitador de corriente para no dañar el led 14, que actúa cuando la intensidad que se intenta proporcionar al led 14 para mantener la tensión de referencia 10a pudiera dañar el led 14. A partir de este momento, como ya no se puede aumentar la intensidad proporcionada al led 14, la tensión de referencia 10a no se podrá mantener y por tanto las condiciones de funcionamiento del ampliﬁcador logarítmico 19 ya no serán las ideales. No obstante, como esta disminución afectará tanto a la tensión de referencia 10a como a la tensión de atenuación 10b, el valor relativo de la ﬂuorescencia 20 a la salida del ampliﬁcador logarítmico 19 se mantendrá estable, hasta que dicho valor relativo de la ﬂuorescencia 20 esté tan degradando que se deba, por tanto, sustituir el módulo 1 óptico.

En la variante mostrada en la Fig. 2, el módulo 1 está dotado de unos medios de contención 12 de la muestra 2 de líquido, que permiten que el módulo 1 pueda sumergirse en la muestra 2 de líquido. Esta variante permite ventajosamente medir el contenido de cloroﬁla u otro pigmento ﬂuorescente en una muestra 2 de líquido simplemente por inmersión del módulo 1, quedando éste en posición operativa tal y como se muestra en la Fig. 2.

La Fig. 3 muestra una vista en sección de una variante de realización del módulo 1 sumergible. En esta variante los medios de emisión 4 comprenden un led 14, directamente aplicado sobre los medios de separación 6 que permiten que la primera parte de la señal óptica 5a se dirija al primer fotodiodo 17a que forma los primeros medios de recepción 7a. Adyacente a dichos medios de separación 6, se encuentra un primer ﬁltro óptico 16a que permite solamente el paso de la segunda parte de la señal óptica 5b a la primera longitud de onda.

Al incidir la segunda parte de la señal óptica 5b en la muestra 2, esta generará una señal de ﬂuorescencia 5c del modo anteriormente detallado.

Ventajosamente, la lámina transparente que forma los medios de contención 12 del módulo 1 de la Fig. 3 está inclinado, formando los medios de contención, en posición operativa, es decir, sumergidos, un segundo ángulo β de 10 grados con la horizontal. De este modo se consigue que no queden burbujas de aire entre la lámina y la muestra 2 que podrían interferir en la segunda parte de la señal óptica 5b o en la señal de ﬂuorescencia 5c, por lo que la medida resultante podría ser errónea.

La señal de ﬂuorescencia 5c generada por la muestra 2 es convenientemente ﬁltrada por un segundo ﬁltro óptico 16b a la longitud de onda de ﬂuorescencia para eliminar señales interferentes que pudieran venir de otras fuentes luminosas en la muestra o incluso de reﬂexiones de la segunda parte de la señal óptica 5b. Posteriormente, dicha señal óptica de ﬂuorescencia 5c es captada por los segundos medios de recepción 7b, que son un fotodiodo 17b y la señal de ﬂuorescencia 5c es procesada del modo anteriormente descrito.

La variante de la Fig. 4 muestra una vista en sección de otra variante de realización del módulo 1, que cuenta también con unos medios de contención 12 inclinados, que permiten, al igual que la variante mostrada en la Fig. 4, que dicho módulo 1 sea sumergible. En esta variante los medios de emisión 4 son un láser 15 DPSSL (Diode-Pumped Solid-State Laser) que emite una señal óptica 5, cuya luz es monocromática, en dirección a unos medios de separación 6 que dejan pasar parte de la señal óptica 5, generando una primera señal óptica 5a en dirección a un primer fotodiodo 17a que actúa como primeros medios de detección 7a, y desviando una segunda parte de la señal óptica en dirección a la muestra 2. Ventajosamente, al ser monocromática la luz emitida por el láser 15, puede prescindirse del uso de ﬁltros a la primera longitud de onda, siendo también menor los efectos de interferencias de la ley de Beer. Otra ventaja de usar un láser 15 en lugar de un led es que la potencia emitida por el láser 15 en la primera longitud de onda es mayor que cuando se utiliza un led. Del mismo modo que la variante mostrada en la Fig. 4 al incidir la segunda parte de la señal óptica 5b en la muestra 2, esta generará una señal de ﬂuorescencia 5c formando un primer ángulo α con la segunda parte de la señal óptica. Dicha señal de ﬂuorescencia 5c, tras pasar por el ﬁltro 16b, será recibida por el segundo fotodiodo 17b que conforma los segundos medios de recepción 7b.

La Fig. 5 muestra una sonda 101, dotada de un módulo 1 óptico para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas de la presente invención montada en un dispositivo 100 para la medida automática de parámetros físico-químicos en una muestra 2 de aguas embalsadas a distintas profundidades. El dispositivo 100 comprende un cable de conexión 103 vinculado a un extremo de la sonda 101 que permite ascender la sonda 101 hasta la caperuza de protección 102 y descender la sonda 101 hasta que se sumerge dentro de la muestra 2, quedando en posición operativa para realizar medidas periódicamente de modo automático. Naturalmente, dicho cable de conexión 103, además de permitir ascender y descender la sonda 101, comprende cables que aportan alimentación al módulo 1 óptico de la sonda 101 a través de los bornes 21, y cables de señal a través de los cuales se envía la señal con el valor relativo de la ﬂuorescencia 20 resultante de la medida realizada por el módulo 1 del modo descrito anteriormente a una estación remota (no representada).

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas que comprende los pasos de:

-

generar una señal de alimentación (13) eléctrica con una componente continua y una componente sinusoidal a una primera frecuencia;

-

alimentar con dicha señal de alimentación unos medios de emisión (4) ópticos, para emitir una señal óptica (5), en dirección a una muestra

(2) de ﬂuido susceptible de contener cloroﬁla u otros pigmentos, teniendo la portadora de dicha señal óptica una primera longitud de onda predeﬁnida y siendo la moduladora de dicha señal óptica la señal de alimentación;

-

separar dicha señal óptica (5) en una primera parte de la señal óptica (5a), que se dirige a unos primeros medios de recepción (7a) ópticos, y una segunda parte de la señal óptica (5b) que se dirige hacia la muestra;

-

recibir la primera parte de la señal óptica mediante los primeros medios de recepción ópticos, en base a la primera longitud de onda, y recibir la señal óptica de ﬂuorescencia (5c) mediante unos segundos medios de recepción (7b) ópticos en base a la longitud de onda de ﬂuorescencia; caracterizado porque la señal óptica de ﬂuorescencia se recibe por los segundos medios de recepción ópticos formando un primer ángulo (α) agudo con la dirección de máxima radiación de la segunda parte de la señal óptica (5b) y porque comprende además los pasos de:

-

procesar la señal obtenida por los primeros medios de recepción ópticos para obtener una tensión de referencia (10a) proporcional a la amplitud de la componente sinusoidal a la primera frecuencia; y

-

procesar la señal obtenida por los segundos medios de recepción ópticos para obtener una tensión de ﬂuorescencia (10b) proporcional a la amplitud de la componente sinusoidal a la primera frecuencia; y

-

comparar la tensión de ﬂuorescencia con la tensión de referencia para obtener un valor relativo de la ﬂuorescencia (20); y si la tensión de referencia disminuye por debajo del valor inicial de dicha tensión de referencia, incrementar la señal de alimentación eléctrica para que la tensión de referencia obtenida se mantenga constante.
2.

Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque dicho primer ángulo (α)esde 35 grados.
3.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el procesado de la señal obtenida por los primeros y segundos medios de recepción (7a, 7b) ópticos comprende una primera etapa de demodulación coherente de la señal mediante la primera frecuencia y una segunda etapa de ﬁltrado paso bajo para obtener la com

ponente continua de la señal de salida de la etapa de demodulación coherente.
4.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera longitud de onda y la longitud de onda de ﬂuorescencia son diferentes.
5.

Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la primera longitud de onda es de 430 nm y la longitud de onda de ﬂuorescencia es de 680 nm.
6.

Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la primera longitud de onda es de 620 nm y la longitud de onda de ﬂuorescencia es de 650 nm.
7.

Módulo (1) para la medida de cloroﬁla y otros pigmentos mediante la determinación de la ﬂuorescencia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas para medir parámetros físicoquímicos de una muestra (2) de líquido que comprende:

-

unos medios de alimentación (3), adaptados para generar una señal de alimentación (13) eléctrica, dotados de un limitador de corriente;

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unos medios de emisión ópticos (4), adaptados para generar una señal óptica (5) a una primera longitud de onda;

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unos medios para la contención (12) de una muestra de líquido;

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unos medios de separación (6) ópticos adaptados para dirigir una primera parte de la señal óptica (5a) hacia unos primeros medios de recepción (7a) ópticos, y una segunda parte de la señal óptica (5b) hacia los segundos medios de recepción (7b) ópticos;

-

unos primeros medios de recepción ópticos (7a) adaptados para recibir radiación electromagnética a la primera longitud de onda;

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unos segundos medios de recepción (7b) ópticos adaptados para recibir radiación electromagnética a una longitud de onda de ﬂuorescencia; caracterizado porque la dirección de máxima recepción de los segundos medios de recepción (7b) ópticos forman un primer ángulo (α) agudo con la dirección de máxima radiación de la segunda parte de la señal óptica (5b) y porque comprende además:

-

unos medios de detección (8a, 8b) del valor de la amplitud de la componente alterna de la señal de salida de los primeros y segundos medios de recepción ópticos a la primera frecuencia, determinando una tensión de referencia (10a) y una tensión de ﬂuorescencia (10b) respectivamente;

-

unos medios de comparación (9) para establecer la relación entre los valores de dicha tensión de referencia y dicha tensión de ﬂuorescencia; y

-

unos medios compensadores (14) de la corriente de los medios de alimentación (11), para aumentar la señal de alimentación (13) eléctrica generada por dichos medios de alimentación para que la tensión de referencia (10a) se mantenga constante.
8.

Módulo (1) según la reivindicación anterior, caracterizado porque el primer ángulo (α) es de 35 grados.
9.

Módulo (1) según la reivindicación anterior, caracterizado porque los medios de detección (8a, 8b) comprenden sendos ampliﬁcadores de lock-in (18a, 18b).
10.

Módulo según una cualquiera de las reivindicaciones7a9 caracterizado porque los medios de contención (12), en posición operativa, forman un segundo ángulo (β) de entre0y45 grados con la

horizontal.
11.

Módulo según la reivindicación anterior, caracterizado porque el segundo ángulo (β)esde10 grados.
12.

Módulo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque el elemento emisor es un diodo led.
13.

Módulo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, caracterizado porque el elemento emisor es un láser.
14.

Sonda (101) sumergible que comprende al menos un módulo (1) según una cualquiera de las reivindicaciones7a13.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

N.º solicitud: 201131171

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 11.07.2011

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : G01N21/64 (2006.01) G01N21/85 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría

56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

Y

ES 2334426 B1 (ADASA SISTEMAS, SAU) 27.09.2010, todo el documento. 1-14

Y

GB 1281748 A (IMPULSPHYSIK, GMBH) 12.07.1972, todo el documento. 1-14

A

GRYCZYNSKI, Z et al. A new front-face optical cell for measuring weak fluorescent emissions with time resolution in the picosecond time scale. Biophysical Chemistry, Vol. 48, No 1, 1 de noviembre de 1993, páginas 31-38 [en línea], [recuperado el 02.02.2012]. Recuperado de Internet <URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/030146229380039L> <DOI: 10.1016/0301-4622(93)80039-L> 2,8

A

Varios autores. Ficocianina. Wikipedia. 24 de abril de 2010 [en línea], [recuperado el 02.02.2012]. Recuperado de Internet <URL: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ficocianina&oldid=36418901> 6

A

Varios autores. Fluorescence spectroscopy. Wikipedia. 30 de abril de 2011. [en línea], [recuperado el 02.02.2012]. Recuperado de Internet <URL: http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fluorescence_spectroscopy&oldid=426756436> 13

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

Fecha de realización del informe 01.02.2012

Examinador A. Figuera González Página 1/6

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201131171

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) G01N Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de

búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXTEN

Informe del Estado de la Técnica Página 2/6

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201131171

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 01.02.2012

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 1-14 SI NO

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 1-14 SI NO

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

Base de la Opinión.-

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/6

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201131171

1. Documentos considerados.-

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

Documento

Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

D01

ES 2334426 B1 (ADASA SISTEMAS, SAU) 27.09.2010

D02

GB 1281748 A (IMPULSPHYSIK GMBH) 12.07.1972

D03

GRYCZYNSKI, Z et al. A new front-face optical cell for measuring weak fluorescent emissions with time resolution in the picosecond time scale. Biophysical Chemistry, Vol. 48, No 1, páginas 31-38. 1 de noviembre de 1993

D04

Varios autores. Ficocianina. Wikipedia. 24 de abril de 2010

D05

Varios autores. Fluorescence spectroscopy. Wikipedia. 30 de abril de 2011
2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

REIVINDICACIÓN 1

Se considera que D01 es el documento del estado de la técnica más próximo al objeto de la reivindicación 1.

En D01 se describe un procedimiento y módulo óptico para la medida de la absorbancia a lambdas discretas para aplicaciones de control de calidad de aguas que puede incorporar adicionalmente un fototransistor para detectar una señal de fluorescencia generada en el agua. Véase D01, resumen y página 5, líneas 36 a 42.

Las diferencias existentes entre el procedimiento divulgado en D01 y el objeto de la reivindicación 1 son:

-

En D01 no se menciona explícitamente la aplicación a la medida de la clorofila y otros pigmentos.

Pero la aplicación a la medida de la clorofila es una aplicación obvia para el experto en la materia al tratarse de una substancia para la que es sobradamente conocido el realizar medidas de fluorescencia.

-

En D01 el ángulo entre el eje de la luz emitida y el eje de la medida de la fluorescencia es de 90º en vez de ser un ángulo agudo

El problema técnico que se plantea es disminuir las interferencias en la medida de la fluorescencia debido a la reflexión y refracción de la señal de excitación.

Es sobradamente conocido en el estado de la técnica y evidente para el experto en la materia que resulta conveniente, para evitar las interferencias, que el eje de la señal de excitación y el eje de medida de la señal de fluorescencia no sean paralelos. Una opción de diseño para resolver este problema técnico es que exista un ángulo de 90º entre dichos ejes como en el documento D01. Pero existen también documentos en los que se describe el empleo de un ángulo agudo como, por ejemplo, en el documento D02.

En efecto, en el documento D02 se describe un método y un aparato para la determinación de la presencia y/o la cantidad de una substancia fluorescente en un volumen de agua (véase D02, página 2, línea 4 a página 3, línea 27). A modo de ejemplo, en el documento D02 se menciona la posibilidad de medir la fluorescencia de la clorofila (véase D02, página 2, línea 130 a página 3, línea 5). El fotodetector 12 recibe gracias a la configuración del dispositivo, únicamente luz útil de fluorescencia (véase D02, página 3, líneas 22 a 27). Se aprecia en la figura única que entre el eje del receptor R y el eje del transmisor T existe un ángulo agudo.

Así pues se considera que las enseñanzas del documento D02 son simples opciones de diseño que el experto en la materia hubiera aplicado de manera obvia al procedimiento del documento D01, obteniendo como resultado un procedimiento que reúne las características técnicas del objeto de la reivindicación 1.

En conclusión se considera que la reivindicación 1 carece de actividad inventiva de acuerdo con el artículo 8 de la Ley de Patentes 11/1986.

Informe del Estado de la Técnica Página 4/6

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201131171

REIVINDICACIÓN 2

En el documento D02 no se indica de manera explícita cual es el ángulo entre el eje del transmisor T y del receptor R.

Aparentemente, de la lectura de la solicitud no se desprende que exista un problema técnico concreto que se resuelva específicamente para un ángulo de 35º por lo que se considera que se trata de una mera opción de diseño.

Así pues, la reivindicación 2, dependiente de la reivindicación 1 que carece de actividad inventiva, carece a su vez e actividad inventiva.

Adicionalmente, resulta interesante comentar que en el documento D03 se indica que la refracción de Raman en el agua puede interferir en las medidas de fluorescencia y que dicha refracción se minimiza para un ángulo de 34º.

REIVINDICACIONES 3 y 4

La reivindicación 3 no aporta ninguna característica técnica adicional que no estuviera ya recogida en el documento D01 puesto que la parte caracterizadora de la reivindicación 1 del documento D01 y la parte caracterizadora de la reivindicación 3 son idénticas.

Tampoco la reivindicación 4 aporta ninguna característica técnica adicional que no estuviera ya recogida en el documento D01 puesto que en D01, en la reivindicación 4, se contempla la posibilidad de que la primera longitud de onda y la segunda longitud de onda sean diferentes y en la página 5, líneas 36 a 42, se contempla la posibilidad de que la segunda longitud de onda sea una longitud de onda de fluorescencia.

Así pues las reivindicaciones 3 y 4, dependientes de cualquiera de las reivindicaciones anteriores que carecen de actividad inventiva, carecen a su vez de actividad inventiva.

REIVINDICACIONES 5 Y 6

En el documento D02 se contempla la posibilidad de que la substancia cuya fluorescencia se mide sea la clorofila que se excita cuando la luz incidente tiene una longitud de onda de alrededor de 430 nm y emite en una longitud de onda a partir de 680nm. Véase D02, página 2, línea 130 a página 3, línea 5.

Por otra parte es sabido que la ficocianina es un pigmento presente en las algas y que, como la clorofila, es fluorescente siendo la longitud de onda de excitación 620nm y la longitud de onda de la fluorescencia emitida de alrededor de 650nm, tal y como se ilustra por ejemplo, en el documento D04 que es el artículo correspondiente de la wikipedia.

Así pues las reivindicaciones 5 y 6 no añaden ninguna característica técnica adicional que no sea evidente para el experto en la materia y por lo tanto, estas reivindicaciones, dependientes de las reivindicaciones anteriores que carecen de actividad inventiva carecen a su vez de actividad inventiva.

REIVINDICACIONES 7 Y 8

Por un razonamiento similar al de las reivindicaciones 1 y 2 que se refieren al procedimiento, estas reivindicaciones que se refieren al módulo carecen a su vez de actividad inventiva.

REIVINDICACIONES 9 y 12

Las reivindicaciones 9 y 12 no aportan ninguna característica técnica adicional que no estuviera ya recogida en el documento D01 puesto que la parte caracterizadora de la reivindicación 7 recoge estas características técnicas

Así pues las reivindicaciones 9 y 12, dependientes de cualquiera de reivindicaciones anteriores que carecen de actividad inventiva, carecen a su vez de actividad inventiva.

REIVINDICACIONES 10 y 11

En los documentos D01 y D02 no se menciona el problema de que las burbujas de aire puedan quedar atrapadas debajo del módulo entre la lámina y la muestra.

No obstante, el experto en la materia enfrentado al problema de que puedan quedar burbujas de aire atrapadas debajo del aparato de medida, y sabiendo que las burbujas tienden a ascender en el agua, hubiera recurrido a un diseño inclinado del cierre del aparato de forma que las burbujas puedan ascender libremente.

Además en el documento D02, se puede interpretar la figura considerando que el contendor 20 del aparato está orientado hacia arriba formando su superficie un ángulo de cero grados con la horizontal, con lo que respondería de manera literal a uno de los casos contemplados en la reivindicación 10.

Se considera pues que la solución propuesta en la reivindicación 10 es una solución obvia para el experto en la materia siendo la solución de la reivindicación 11 una mera opción de diseño correspondiente a la solución de la reivindicación 10.

En definitiva las reivindicaciones 10 y 11, dependientes de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9 que carecen de actividad inventiva, carecen a su vez de actividad inventiva.

Informe del Estado de la Técnica Página 5/6

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201131171

REIVINDICACIÓN 13

El uso de un emisor láser es una alternativa equivalente conocida al uso de leds en espectroscopia de fluorescencia tal y como se ilustra en el documento D05.

Así pues la reivindicación 13, dependiente de cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11 que carecen de actividad inventiva, carece a su vez de actividad inventiva.

REIVINDICACIÓN 14

La reivindicación 14 es una reivindicación que se refiere a las reivindicaciones 7 a 13 que carecen de actividad inventiva sin aportar características técnicas adicionales y carece por lo tanto a su vez de actividad inventiva.

Informe del Estado de la Técnica Página 6/6