Sensor óptico de glicose baseado em cristais líquidos

A presente dissertação tem como finalidade apresentar uma investigação teórica e experimental sobre um sensor polarimétrico, portátil e de baixo custo, baseado num cristal líquido para a medição da concentração de glicose existente numa amostra. Devido ao crescente número de pessoas que sofrem de Diabetes, existe grande interesse em desenvolver sensores portáteis que permitam medir a concentração de glicose de forma rápida, precisa e indolor. Dos vários métodos não invasivos existentes para a medição de concentração de glicose, o método utilizado tem como base a medição da rotação da polarização da luz. Recentemente os sensores polarimétricos baseados em cristais líquidos, têm adquirido grande ênfase devido às suas características únicas que, em comparação com outros moduladores electroópticos, funcionam com tensões mais baixas, apresentam menor consumo energético e maior ângulo de rotação. No entanto também existem diversas desvantagens, nomeadamente a falta de documentação sobre a realização de testes e resultados obtidos em sensores polarimétricos. Têm como desvantagem adicional o facto do comportamento do polarímetro ser fortemente dependente do tipo de cristal líquido e da tensão a este aplicado. A presente dissertação descreve o desenvolvimento de um sensor polarimétrico que inclui a componente óptica, a componente electrónica de detecção e acondicionamento do sinal, a comunicação sem fios com um PC, e, por fim, a componente de análise e interface com o utilizador. Neste sensor polarimétrico poderão ser efectuadas leituras de temperatura das amostras para efeitos de correcção do cálculo da concentração da glicose. O dispositivo permite ainda a gravação dos dados obtidos e identificação dos mesmos. Os resultados obtidos demonstram que o dispositivo é capaz de medir concentrações com 10mg/ml de glicose, com uma percentagem de erro de 15%, para uma amostra com um percurso óptico de apenas 1 cm.

Membrane selectivity versus sensor response in hydrogenated amorphous silicon CHEMFETs using a semi-empirical model

Toxic amides, such as acrylamide, are potentially harmful to Human health, so there is great interest in the fabrication of compact and economical devices to measure their concentration in food products and effluents. The CHEmically Modified Field Effect Transistor (CHEMFET) based onamorphous silicon technology is a candidate for this type of application due to its low fabrication cost. In this article we have used a semi-empirical modelof the device to predict its performance in a solution of interfering ions. The actual semiconductor unit of the sensor was fabricated by the PECVD technique in the top gate configuration. The CHEMFET simulation was performed based on the experimental current voltage curves of the semiconductor unit and on an empirical model of the polymeric membrane. Results presented here are useful for selection and design of CHEMFET membranes and provide an idea of the limitations of the amorphous CHEMFET device. In addition to the economical advantage, the small size of this prototype means it is appropriate for in situ operation and integration in a sensor array.

Estudo e desenvolvimento de um sensor de chuva piezoelétrico para automóveis

A presença de sistemas eletrónicos nos veículos automóveis tem vindo a aumentar de forma considerável nos últimos 30 anos, tornando possível o aumento dos padrões de eficiência, segurança e conforto dos mesmos. Os sistemas de acionamento automático dos limpa-para-brisas, baseados em sensores de chuva óticos, têm registado um crescimento quase exponencial nos últimos 10 a 15 anos; no ano 2000, apenas 5 % dos veículos novos produzidos na Europa estavam equipados com este sistema, hoje é um equipamento amplamente difundido na oferta automóvel existente. O presente trabalho consistiu no estudo de uma solução para deteção de chuva em veículos automóveis com a aplicação de um sensor piezoelétrico, tendo em vista a obtenção de uma solução mais versátil e aplicável em vários pontos do veículo. As reduzidas dimensões, a elevada sensibilidade do sensor e a facilidade de aplicação nas superfícies de ensaio foram fatores que motivaram a escolha deste tipo de equipamento como elemento sensorial. As hipóteses definidas para o procedimento laboratorial basearam-se nas conclusões obtidas em estudos anteriormente desenvolvidos no campo dos sensores de chuva para automóveis e nas capacidades dos materiais piezoelétricos para medição de pluviosidade. Os sensores foram instalados sob as superfícies do veículo que apresentavam, simultaneamente, uma maior exposição à pluviosidade, quando este está em movimento, e um menor risco de sofrer danos. Os resultados obtidos permitiram concluir que a utilização deste tipo de sensores permite detetar elevados níveis de pluviosidade e em superfícies com considerável capacidade de deformação elástica. A sua implementação futura em veículos automóveis exige mais algum trabalho de melhoria dos processos de fixação dos sensores e do condicionamento de sinal utilizados.

On the use of IEEE 802.15.4/Zigbee for time-sensitive wireless sensor network applications

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Direct Color Sensor, Optical Amplifier and Demux Device Integrated on a Single Monolithic SiC Photodetector

A pi'n/pin a-SiC:H voltage and optical bias controlled device is presented and its behavior as image and color sensor, optical amplifier and demux device is discussed. The design and the light source properties are correlated with the sensor output characteristics. Different readout techniques are used. When a low power monochromatic scanner readout the generated carriers the transducer recognizes a color pattern projected on it acting as a direct color and image sensor. Scan speeds up to 10(4) lines per second are achieved without degradation in the resolution. If the photocurrent generated by different monochromatic pulsed channels is readout directly, the information is demultiplexed. Results show that it is possible to decode the information from three simultaneous color channels without bit errors at bit rates per channel higher than 4000 bps. Finally, when triggered by light of appropriated wavelength, it can amplify or suppress the generated photocurrent working as an optical amplifier (C) 2009 Published by Elsevier Ltd.

Urubu: energy scavenging in wireless sensor networks

For the past years wireless sensor networks (WSNs) have been coined as one of the most promising technologies for supporting a wide range of applications. However, outside the research community, few are the people who know what they are and what they can offer. Even fewer are the ones that have seen these networks used in real world applications. The main obstacle for the proliferation of these networks is energy, or the lack of it. Even though renewable energy sources are always present in the networks environment, designing devices that can efficiently scavenge that energy in order to sustain the operation of these networks is still an open challenge. Energy scavenging, along with energy efficiency and energy conservation, are the current available means to sustain the operation of these networks, and can all be framed within the broader concept of “Energetic Sustainability”. A comprehensive study of the several issues related to the energetic sustainability of WSNs is presented in this thesis, with a special focus in today’s applicable energy harvesting techniques and devices, and in the energy consumption of commercially available WSN hardware platforms. This work allows the understanding of the different energy concepts involving WSNs and the evaluation of the presented energy harvesting techniques for sustaining wireless sensor nodes. This survey is supported by a novel experimental analysis of the energy consumption of the most widespread commercially available WSN hardware platforms.

Desenvolvimento de um sensor óptico para determinação de Norfloxacina

A presente dissertação descreve o desenvolvimento e a caracterização de sensores ópticos com base em membranas de poli(cloreto de vinilo), PVC, para determinação de Norfloxacina em amostras do sector da aquacultura. Estes sensores basearam-se na reacção colorimétrica entre um metal imobilizado em PVC e a Norfloxacina. O metal foi escolhido com base em ensaios prévios de reacção colorimétrica entre a Norfloxacina e várias espécies metálicas, nomeadamente, Fe(III), Al(III), Pb(II), Aluminon, Mo(II), Mn(II), Ni(II), Cu(II), Co(II), Sn(II) e V(V). A reacção mais intensa foi obtida com o Fe(III). Neste sentido, numa primeira fase foram desenvolvidos sensores baseados em Fe(III). O efeito de alguns parâmetros experimentais na resposta desses sensores foi avaliado de modo univariado. Incluem-se aqui o efeito do pH, avaliado entre 2,00 e 6,00, e o da concentração de Fe(III), variada entre cerca de 1,00x10-5 M e 2,00x10-4 M. Os melhores valores foram obtidos a pH 3, para o qual se verificou um comportamento linear entre cerca de 1,00x10-5 M e 1,70x10-4 M de Fe(III). Utilizando as condições seleccionadas anteriormente, procedeu-se à caracterização do complexo sob ponto de vista químico. Os valores obtidos apontaram para a necessidade de um excesso de Fe(III) de, pelo menos, 10 vezes, no sentido de garantir a máxima extensão de complexação. O complexo referido apresentou, nestas condições, um comportamento linear ao longo do intervalo de concentrações de cerca de 7,00x10-5 M a 7,00x10-4 M em NOR. O complexo formado foi estável ao longo de 90 minutos. As condições óptimas para análise desse complexo numa superfície sólida foram obtidas após avaliação do efeito da quantidade de Fe(III) e do tipo e quantidade de solvente mediador (o-nitrofenil octil éter, di-n-octilftalato, dibutilftalato, bis(etilhexil)sebacato, bis(etilhexil)ftalato). O bis(etilhexil)sebacato foi o solvente mediador escolhido e a relação de quantidade entre o PVC e o solvente mediador foi igual a 1:2. O procedimento de preparação do sensor sólido e subsequente optimização foi aplicado a outras espécies metálicas, para além do Fe(III), tais como, Cu(II), Mn(II) e aluminon. A conjugação de todos estes metais permitiu desenvolver um array de sensores para despistagem de Norfloxacina em águas de aquacultura. Algumas membranas sensoras foram aplicadas com sucesso no controlo de Norfloxacina em amostras de águas ambientais dopadas. Os resultados obtidos com membranas de Fe(III) e Cu(II) foram exactos, tendo-se registado valores de concentração próximos dos reais. O método proposto permitiu, por isso, a despistagem rápida e eficaz da presença de um antibiótico em águas ambientais, permitindo ainda o seu doseamento a um baixo custo. Numa perspectiva de rotina, e tendo em vista a despistagem deste antibiótico, este método revelou-se mais rápido e mais barato do que os demais métodos descritos na literatura para este efeito.

Monitorização do adoçante ciclamato de sódio através de sensor óptico

O presente trabalho pretendeu desenvolver e testar um sensor óptico para detectar ciclamato de sódio, um adoçante artificial utilizado nas bebidas em geral. A primeira abordagem neste sentido baseou-se na preparação de um sensor óptico através da formação de complexos corados entre o ciclamato e várias espécies metálicas, nomeadamente Hg(II), Ba(II), Fe(II), Ag(II), Pb(II), Cd(II), Mn (II), Ni(II), Cu(II), Co(II), Sn(II) e Mg(II). Perante a ausência de resultados satisfatórios optou-se por explorar a acção do ciclamato de sódio na transferência/partilha de um corante entre duas fases líquidas imiscíveis. As fases líquidas utilizadas foram a água e o clorofórmio. Testaram-se várias famílias de corantes mas só uma classe se mostrou com as características apropriadas para o objectivo pretendido. Dentro dessa família de corantes, seleccionou-se aquele que, à partida, garantiu o melhor desempenho. O sensor foi testado em diferentes condições de pH e também na presença de potenciais interferentes de forma a estabelecer as melhores condições de utilização. O método mostrou-se bastante simples de executar, rápido na obtenção de resultados e com boas características para ser avaliado visualmente, mas sempre de acordo com os critérios de objectividade que um trabalho deste tipo requer. Além o disso permitiu ser calibrado de uma forma rápida e simples, características essenciais para a aplicação deste método na despistagem de ciclamato em análises de rotina. O método desenvolvido foi ainda aplicado à análise de vinho dopado com diferentes concentrações de ciclamato de sódio. Destes testes verificou-se a necessidade de optimização do método através da introdução de outras substâncias na fase não aquosa diminuindo a vulnerabilidade do sensor a outros interferentes. Como conclusão, o método correspondeu às expectativas, mostrando-se viável para aplicação à análise de vinhos, ainda com uma margem significativa de desenvolvimento no sentido de o tornar mais fiável e preciso.

Reduced fluoresceinamine as a fluorescent sensor for nitric oxide

A new fluorescent sensor for nitric oxide (NO) is presented that is based on its reaction with a non fluorescent substance, reduced fluoresceinamine, producing the highly fluorescent fluoresceinamine. Using a portable homemade stabilized light source consisting of 450 nm LED and fiber optics to guide the light, the sensor responds linearly within seconds in the NO concentration range between about 10–750 µM with a limit of detection (LOD) of about 1 µM. The system generated precise intensity readings, with a relative standard deviation of less than 1%. The suitability of the sensor was assessed by monitoring the NO generated by either the nitrous acid decomposition reaction or from a NO-releasing compound. Using relatively high incubation times, the sensor also responds quantitatively to hydrogen peroxide and potassium superoxide, however, using transient signal measurements results in no interfering species.

Electrochemical DNA-sensor for evaluation of total antioxidant capacity of flavours and flavoured waters using superoxide radical damage

In this paper, a biosensor based on a glassy carbon electrode (GCE) was used for the evaluation of the total antioxidant capacity (TAC) of flavours and flavoured waters. This biosensor was constructed by immobilising purine bases, guanine and adenine, on a GCE. Square wave voltammetry (SWV) was selected for the development of this methodology. Damage caused by the reactive oxygen species (ROS), superoxide radical (O2·−), generated by the xanthine/xanthine oxidase (XOD) system on the DNA-biosensor was evaluated. DNA-biosensor encountered with oxidative lesion when it was in contact with the O2·−. There was less oxidative damage when reactive antioxidants were added. The antioxidants used in this work were ascorbic acid, gallic acid, caffeic acid, coumaric acid and resveratrol. These antioxidants are capable of scavenging the superoxide radical and therefore protect the purine bases immobilized on the GCE surface. The results demonstrated that the DNA-based biosensor is suitable for the rapid assess of TAC in beverages.

Evaluation of the total antioxidant capacity of flavored water and electrochemical purine damage by sulfate radicals using a purine-based sensor

In this study, a method for the electrochemical quantification of the total antioxidant capacity (TAC) in beverages was developed. The method is based on the oxidative damage to the purine bases, adenine or guanine, that are immobilized on a glassy carbon electrode (GCE) surface. The oxidative lesions on the DNA bases were promoted by the sulfate radical generated by the persulfate/iron(II) system. The presence of antioxidants on the reactive system promoted the protection of the DNA bases immobilized on the GCE by scavenging the sulfate radical. Square-wave voltammetry (SWV) was the electrochemical technique used to perform this study. The efficiencies of five antioxidants (ascorbic acid, gallic acid, caffeic acid, coumaric acid and resveratrol) in scavenging the sulfate radical and, therefore, their ability to protect the purine bases immobilized on the GCE were investigated. These results demonstrated that the purine-based biosensor is suitable for the rapid assessment of the TAC in flavors and flavored water.

Optical fiber sensor for Hg(II) based on carbon dots

An optical fiber sensor for Hg(II) in aqueous solution based on sol–gel immobilized carbon dots nanoparticles functionalized with PEG200 and N-acetyl-l-cysteine is described. This sol–gel method generated a thin (about 750 nm), homogenous and smooth (roughness of 2.7±0.7 a˚ ) filmthat immobilizes the carbon dots and allows reversible sensing of Hg(II) in aqueous solution. A fast (less than 10 s), reversible and stable (the fluorescence intensity measurements oscillate less than 1% after several calibration cycles) sensor system was obtained. The sensor allow the detection of submicron molar concentrations of Hg(II) in aqueous solution. The fluorescence intensity of the immobilized carbon dots is quenched by the presence of Hg(II) with a Stern-Volmer constant (pH = 6.8) of 5.3×105M−1.

Man-tailored biomimetic sensor of molecularly imprinted materials for the potentiometric measurement of oxytetracycline

A novel biomimetic sensor for the potentiometric transduction of oxytetracycline is presented. The artificial host was imprinted in methacrylic acid and/or acrylamide based polymers. Different amounts of molecularly imprinted and non-imprinted polymers were dispersed in different plasticizing solvents and entrapped in a poly(vinyl chloride) matrix. Only molecularly imprinted based sensors allowed a potentiometric transduction, suggesting the existence of host–guest interactions. These sensors exhibited a near-Nernstian response in steady state evaluations; slopes and detection limits ranged 42–63 mV/decade and 2.5–31.3 µg/mL, respectively. Sensors were independent from the pH of test solutions within 2–5. Good selectivity was observed towards glycine, ciprofloxacin, creatinine, acid nalidixic, sulfadiazine, cysteine, hydroxylamine and lactose. In flowing media, the biomimetic sensors presented good reproducibility (RSD of ±0.7%), fast response, good sensitivity (65 mV/decade), wide linear range (5.0×10−5 to 1.0×10−2 mol/L), low detection limit (19.8 µg/mL), and a stable baseline for a 5×10−3M citrate buffer (pH 2.5) carrier. The sensors were successfully applied to the analysis of drugs and urine. This work confirms the possibility of using molecularly imprinted polymers as ionophores for organic ion recognition in potentiometric transduction.

IEEE 802.15.4 for wireless sensor networks: a technical overview

Low-rate low-power consumption and low-cost communication are the key points that lead to the specification of the IEEE 802.15.4 standard. This paper overviews the technical features of the physical layer and the medium access control sublayer mechanisms of the IEEE 802.15.4 protocol that are most relevant for wireless sensor network applications. We also discuss the ability of IEEE 802.15.4 to fulfil the requirements of wireless sensor network applications.

Lower protocol layers for wireless sensor networks: a survey

Wireless Sensor Networks (WSNs) have been attracting increasing interests in the development of a new generation of embedded systems with great potential for many applications such as surveillance, environment monitoring, emergency medical response and home automation. However, the communication paradigms in Wireless Sensor Networks differ from the ones attributed to traditional wireless networks, triggering the need for new communication protocols and mechanisms. In this Technical Report, we present a survey on communication protocols for WSNs with a particular emphasis on the lower protocol layers. We give a particular focus to the MAC (Medium Access Control) sub-layer, since it has a prominent influence on some relevant requirements that must be satisfied by WSN protocols, such as energy consumption, time performance and scalability. We overview some relevant MAC protocol solutions and discuss how they tackle the trade-off between the referred requirements.