Development of dissolved oxygen sensors using electrochemical and optic methods for real time monitoring of water quality.

Este trabalho visou o desenvolvimento de sensores de oxigênio dissolvido (OD) utilizando tecnologias de filmes espessos, possibilitando baixo custo de produção, mantendo porém a durabilidade e precisão necessárias para o emprego no monitoramento de águas mananciais. Tal desenvolvimento também incluiu o desenvolvimento de circuitos eletrônicos próprios para o funcionamento completo e autônomo dos sensores. Aplicando-se o princípio de funcionamento do sensor eletroquímico de oxigênio dissolvido baseado na célula de Clark(1956), desenvolveu-se inicialmente esta célula confeccionada em PVC com dimensões tradicionais e, posteriormente, utilizou-se a tecnologia LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) como substrato do sensor em uma microconfiguração planar. Essa inovação permitiu estudar as facilidades de construção com este substrato, várias composições para o eletrólito, espessura das membranas em FEP e PDMS, e o uso das técnicas de medidas tais como polarização contínua, polarização pulsada e voltametria cíclica. Os sensores desenvolvidos foram estudados em condições de monitoramento contínuo e chegaram a alcançar 4 meses de durabilidade utilizando membrana de FEP com deriva de 0,14 % hora-1. Verificou-se através dos ensaios que a configuração da célula eletroquímica de 3 eletrodos estende a durabilidade dos microsensores, pois esta configuração atenua a redução da prata sobre o catodo. Devido a recente regulamentação da detecção óptica do OD pela ASTM, inclui-se neste trabalho o princípio da técnica de medição através da detecção da luminescência. Apresenta-se a implementação de um sistema óptico de detecção utilizando LEDs de alto brilho como fonte de excitação e fotodiodo com filtro de cor embutido para a detecção da intensidade luminescente de um complexo de rutênio (Ru(dpp)) imobilizado em filme sol-gel e em silicone PDMS. O sensor óptico imobilizado em filme sol-gel operando em modo contínuo apresentou a menor deriva (0,03 % hora-1) dentre os microssensores ópticos construídos. A adição de uma fina camada de silicone preto sobre a imobilização sol-gel proporcionou maior durabilidade e imunidade do filme à variação de salinidade da amostra sem prejudicar o tempo de resposta do sensor.This work aims the development of a dissolved oxygen (DO) sensor using thick film technology, which has low cost of production and keeps sensors durability and precision acceptable for their use in the monitoring of water sources. This development also includes the complete electronic circuits for autonomous monitoring. Using the principles of oxygen electrochemical sensors based on Clark´s cell, this cell is initially built in PVC with traditional dimensions and aftwords build in LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) technology as a substrate for the sensor in a microplanar configuration. This innovation allowed the study of constructive aspects, especially by changing substrate configuration, compositions for the electrolyte, thickness of the FEP or PDMS membrane, and the use of diverse electronic measurement techniques such as continuous polarization, pulsed polarization and cyclic voltammetry. Sensors submitted to continuous monitoring could reach 4 months of duration, using FEP membrane, drifting 0.14 % h-1. A 3 electrodes electrochemical cell configuration can extend the sensor´s life, presenting a low drift for both sensors types, because this new configuration attenuates the reduction of the silver over the cathode. Due to recent regulation of the optical detection of OD by ASTM, this work includes the measurement of DO through the detection of luminescent patterns. Such a system was developed by using high brightness LED´s as excitement sources and special photodiodes embedded with color filters as luminescence intensity detectors . The ruthenium complex (Ru(dpp)) immobilized in a sol-gel film and in PDMS was used as oxygen-sensitive material. The optical sensor immobilized in sol-gel film operating in continuous mode presented the lowest drift (0.03 % h-1) of all built sensors. The addition of a thin layer of black silicone over the sol-gel immobilization provided a greater durability and the immunity of the film and to sample salinity variation, without prejudice to the sensor response time