Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44638
ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-9117-5954
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Desenvolvimento e aplicação de sensores ópticos miniaturizados para análise de gases e voláteis em amostras ambientais, alimentícias e biológicas
Alternate title (s): Development and application of miniaturized optical sensors for gas and volatile analysis in environmental, food, and biological samples
Author: Barreto, Diandra Nunes
First Advisor: Petruci, João Flávio da Silveira
First member of the Committee: Manzani, Danilo
Second member of the Committee: Alves, Vanessa Nunes
Third member of the Committee: Takeuchi, Regina Massako
Fourth member of the Committee: Babos, Diego Victor
Summary: A detecção em tempo real de gases e compostos voláteis é de extrema importância para garantir desde a segurança em ambientes fechados (e.g. metano e dióxido de enxofre) e até a diagnóstico de doenças (isopreno e acetona). Nesse contexto, o desenvolvimento de sensores portáteis é essencial para intervenções preventivas e redução de riscos. Este trabalho avança nessa direção, desenvolvendo plataformas analíticas ópticas inovadoras, explorando diversas regiões do espectro eletromagnético e combinando diferentes tecnologias, como guias de onda, espectrômetros portáteis, lasers de cascata quântica (QCLs), LEDs e fotodetectores. O primeiro estudo concentrou-se no desenvolvimento e validação de uma plataforma portátil para o monitoramento direto de ozônio em ambientes internos. Utilizando uma mini lâmpada de vapor de mercúrio de baixa pressão como fonte de radiação e uma célula de amostra de alumínio baseada em um guia de onda oco integrado ao substrato (iHWG), essa plataforma se mostrou eficaz na detecção de ozônio em tempo real. O sistema, acoplado a um espectrômetro portátil via USB, foi capaz de detectar concentrações de ozônio em níveis que atendem aos requisitos de segurança para ambientes fechados, provando ser uma solução rápida e portátil para monitoramento contínuo de qualidade do ar. No segundo estudo, foi desenvolvida um dispositivo portátil para a quantificação de sulfito em amostras de bebidas. Utilizando um iHWG como célula gasosa, um LED com emissão em 280 nm e um fotodiodo como detector, o dispositivo minimiza o uso de reagentes químicos e oferece uma alternativa rápida, sustentável e de baixo custo para a análise de sulfito em amostras de bebidas. No terceiro trabalho explorou-se a fabricação de iHWGs por impressão 3D e utilizou-se uma lâmpada de deutério como fonte radiação UV e um espectrômetro portátil para a detecção de vapores de isopreno e acetona, importantes biomarcadores. A inovação do uso de impressão 3D para criar células gasosas personalizadas e eficientes destaca o avanço tecnológico, permitindo uma análise de compostos orgânicos voláteis por meio de uma plataforma analítica portátil e de baixo custo. Por fim, o quarto estudo teve como foco o desenvolvimento de um sensor portátil para a detecção de gases tóxicos em minas subterrâneas. Combinando lasers de cascata quântica, iHWGs e detectores MCT, o sensor foi eficaz na detecção e quantificação dos gases CH₄, SO₂, H₂S e CO₂. A alta detectabilidade e especificidade do sistema, aliado à sua portabilidade, torna-o ideal para o monitoramento contínuo e remoto, permitindo intervenções rápidas em áreas de difícil acesso, reduzindo o risco de acidentes em ambientes de mineração. Cada estudo explorou diferentes combinações de fontes de radiação e detectores, ajustando suas capacidades de detecção a partir de estratégias, como a conversão de gases (H₂S em SO₂) e o uso de volatilização. A abordagem multidisciplinar e a inovação tecnológica alcançadas neste trabalho abrem novos horizontes na detecção rápida e precisa de gases tóxicos e voláteis, proporcionando soluções viáveis e acessíveis para desafios tanto em ambientes industriais e biomédico quanto em contextos de segurança ambiental.
Abstract: The real-time detection of gases and volatile compounds is of extreme importance for ensuring safety in enclosed environments (e.g., methane and sulfur dioxide) and even for diagnosing diseases (e.g., isoprene and acetone). In this context, the development of portable sensors is essential for preventive interventions and risk reduction. This work advances in that direction by developing innovative optical analytical platforms, exploring various regions of the electromagnetic spectrum and combining different technologies, such as waveguides, portable spectrometers, quantum cascade lasers (QCLs), LEDs, and photodetectors. The first study focused on the development and validation of a portable platform for the direct monitoring of ozone in indoor environments. Using a low-pressure mercury vapor mini-lamp as the radiation source and an aluminum sample cell based on an integrated hollow waveguide (iHWG), this platform proved effective in real-time ozone detection. The system, coupled with a portable USB spectrometer, was able to detect ozone concentrations at levels that meet safety requirements for enclosed environments, proving to be a fast and portable solution for continuous air quality monitoring. In the second study, a portable solution was developed for the quantification of sulfite in beverage samples. Utilizing an iHWG as the gas cell, an LED emitting at 280 nm, and a photodiode as the detector, the device minimizes the use of chemical reagents and offers a fast, sustainable, and cost-effective alternative for sulfite analysis. This approach enabled the detection of sulfite concentrations in a compact device. The third study explored the fabrication of iHWGs through 3D printing for the detection of isoprene and acetone vapors, two important biomarkers. Using a deuterium lamp as the UV radiation source and a portable spectrometer, the innovation of 3D printing to create customized and efficient gas cells highlights technological advancements, allowing the analysis of volatile organic compounds through a low-cost, portable analytical platform. Finally, the fourth study focused on developing a portable sensor for detecting toxic gases in underground mines. Combining quantum cascade lasers, iHWGs, and MCT detectors, the sensor was effective in detecting gases such as CH₄, SO₂, H₂S, and CO₂. The system’s high sensitivity and specificity, along with its portability, make it ideal for continuous and remote monitoring, allowing for quick interventions in hard-to-reach areas and reducing the risk of accidents in mining environments. Each study explored different combinations of radiation sources and detectors, optimizing their detection capabilities through strategies like gas conversion (H₂S to SO₂) and volatilization. The multidisciplinary approach and technological innovations achieved in this work open new horizons for the rapid and precise detection of toxic and volatile gases, providing viable and accessible solutions for challenges in both industrial and biomedical environments and environmental safety contexts.
Keywords: Sensores ópticos
iHWG
Laser de cascata quântica
Monitoramento ambiental
Biomarcadores em ar exalado
Detecção de ozônio
Dispositivos portáteis
Espectrometria molecular no IV
Espectrometria molecular no UV
Impressão 3D
Qualidade do ar em minas subterrâneas
Gases tóxicos
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ANALITICA::METODOS OTICOS DE ANALISE
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA ANALITICA::INSTRUMENTACAO ANALITICA
Subject: Química
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Quote: BARRETO, Diandra Nunes. Desenvolvimento e aplicação de sensores ópticos miniaturizados para análise de gases e voláteis em amostras ambientais, alimentícias e biológicas. 2025. 151 f. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.642.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.642
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44638
Date of defense: 2-Nov-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 3. Saúde e bem-estar - Assegurar uma vida saudável e promover o bem-estar para todos, em todas as idades.
Appears in Collections:TESE - Química

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