La presente solicitud de invención se refiere a un dispositivo óptico portátil y libre de calibración para el registro y monitoreo remoto en línea (on line) de la saturación y concentración de oxígeno disuelto en un cuerpo de agua que opera mediante el procesamiento electrónico de información de datos analógicos obtenidos a partir de la atenuación de la fluorescencia registrada en oscuridad por un pigmento fluorescente que reacciona con decaimiento de fluorescencia en presencia de DO cuando ha sido activado por un pulso de luz azul o roja. El DO en el agua es vital para la existencia de la mayoría de los organismos siendo un componente clave en la respiración celular tanto para la vida acuática como para la vida terrestre.

La concentración de DO en un ambiente acuático es un indicador importante de la calidad del agua ambiental ya que algunos organismos, como el salmón y las truchas, requieren altas concentraciones de DO. Por el contrario, otros organismos, como el siluro, las larvas de mosquito y la carpa, pueden sobrevivir en ambientes con bajas concentraciones de oxígeno disuelto. Por lo tanto, la diversidad de los organismos acuáticos dependen de las concentraciones de DO. Contar con mecanismos confiables de medición de DO se hace relevante, por lo tanto, en un sistema de producción acuícola.

Inicialmente se utilizaban dos métodos para determinar la concentración de DO en muestras de agua: la titulación de Winkler (método iodométrico, Winkler 1888;1911;1912) y la técnica de electrodos de membrana (Sawyer y McCarty, 1978). En el método de titulación la concentración de DO se determina a través de una serie de reacciones de oxido-reducción (Winkler 1888). La desventaja de éste método se refiere a su laboriosidad, a la necesidad de disponer de un laboratorio y a la incertidumbre que se produce debido a factores que afectan las características de los elementos químicos. Adicional mente se ha desarrollado un método espectrofotométrico basado en la titulación de Winkler que monitorea en línea el DO en agua de mar. Este método permite la automatización del sistema eliminando la laboriosidad que lo caracteriza ( Horstkotte y col 2010). El método del electrodo ofrece varias ventajas sobre el método de titulación, porque es un método rápido, elimina o minimiza interferencias, permite el monitoreo continuo y la realización de mediciones in situ. Sin embargo, este método no es tan exacto como el método de titulación. Los electrodos modernos dependen de una membrana que es selectivamente permeable, dejando entrar DO en la celda de medición, lo que permite eliminar la mayoría de las interferencias (Sawyer y McCarty, 1978).

En el método electrométrico los electrodos de membrana sensible al oxígeno, ya sean galvánicos o polarizados (o basados en el principio de Clark) están constituidos por dos electrodos de metal en contacto con un electrolito de soporte, separado de la disolución de muestra por medio de una membrana selectiva. En el cátodo, que usualmente es oro o platino, ocurre la reducción del oxígeno mientras que en el ánodo ocurre la oxidación del metal (plata o plomo). La diferencia básica entre el sistema galvánico y el polarizado es que en el primero, la reacción en el electrodo ocurre espontáneamente, mientras que en el segundo es necesario aplicar un potencial externo para polarizar el electrodo indicador. Las ventajas que se indican de un sensor polarográfico (de tipo Clark) frente a un galvánico son; a) La posibilidad de seleccionar un voltaje de polarización óptimo, evitando posibles interferencias como las que ocurren por presencia de C02 ; b) Evitan contaminaciones del ánodo mientras el sensor no está en funcionamiento; c) Requieren un menor flujo de muestras para obtener lecturas estables; d) Se puede trabajar por largos períodos de tiempo debido al pequeño tamaño de su cátodo con variaciones mínimas en las lecturas (bajo ruido). La mayor posibilidad de respuesta del sensor polarográfico posibilita utilizar membranas de mayor grosor y por lo tanto más robustas y duraderas (Sa yer y McCarty 1979). Tradicional mente la concentración de DO ha sido medido amperimétricamente con electrodos de tipo Clark (Bambot y col 1994) pero la magnitud de la señal es dependiente del flujo como del consumo local del DO. Adicionalmente éste tipo de método puede ser inadecuado en el uso de dispositivos miniaturizados debido al consumo de la baja cantidad relativa de DO disponible. De hecho, Lee y Tsao (1979) determinaron que eran inapropiados para medir DO en cultivos microbianos de alta densidad, una limitante que se aplica a sistemas de laboratorio.

Los dispositivos ópticos que se utilizan para medir DO se basan en el principio de la extinción de la luminiscencia. La aplicación de luminóforos para la medición de las concentraciones de oxígeno en líquido ha resultado en instrumentos con avances significativos realizados desde los años 90 (Wolfgang y col 1993; Weigl y col; Klimant y col 1995). El principio está basado en el fenómeno físico de la luminiscencia, que se define como la propiedad de algunos materiales (luminóforos) de emitir luz cuando son excitados por un estímulo diferente del calor; en este caso, la luz. Si se escoge una combinación adecuada de luminóforo y longitud de onda de la luz de excitación, tanto la intensidad de la luminiscencia como el tiempo que ésta tarda en desvanecerse dependerán de la concentración de oxígeno que rodea el material (Hautsky 1939).

En los dispositivos actuales un LED de excitación transmite luz azul pulsada. El pulso luminoso (50 mseg) incide, a través del material portador transparente, en el luminóforo, al que transfiere parte de su energía radiante. Esto hace que algunos de los electrones del luminóforo salten desde un nivel energético básico a un nivel superior. En un intervalo de micro- segundos esos electrones retroceden a su nivel original pasando por varios niveles intermedios, y la diferencia de energía se emite en forma de luz roja. Las moléculas de oxígeno son capaces de absorber la energía de los electrones del nivel superior y facilitar su regreso al nivel energético básico sin emitir luz (Haustky 1939). Cuanto mayor sea la concentración de oxígeno, mayor será la reducción de la intensidad de la luz roja emitida. Por otro lado, las moléculas de oxígeno también provocan "choques" en el luminóforo, lo que hace que los electrones abandonen el nivel energético superior con mayor rapidez, reduciéndose por lo tanto la duración de la luz roja emitida. A ambos fenómenos se les denomina "quenching" (o extinción) (Hautsky 1939). La intensidad máxima (Imax) y el tiempo de desvanecimiento de la luz roja dependen de la concentración de oxígeno circundante. Estos sensores son estables en largos períodos de tiempo y no consumen oxígeno, presentan un corto tiempo de respuesta, tienen dependencia de temperaturas predecibles que son ajustadas con la temperatura local del sensor ( Mitchell 2006).

Bacon y Demás (1987) presentaron un método de determinación de las concentraciones de oxígeno mediante la desaparición de la fluorescencia en una fase gaseosa. A través de la medición del tiempo desde que se observa la fluorescencia es posible determinar la presión parcial de oxígeno de forma no invasiva, de alta repetitividad y de rápida respuesta. Las desventajas del método incluían la variabilidad de resultados al realizar un mayor número de mediciones del tiempo de fluorescencia (Schneider y col 2010) y los componentes optoelectrónicos (cuyo funcionamiento están directamente relacionados con la luz) pueden diferir entre los sistemas comerciales. Sin embargo, se realizaron mejoras en el sistema (Demás y DeGraff, 1991) existiendo, hoy en día, un gran número de productos comerciales con diferentes tamaños, estabilidad y sensibilidad. Comúnmente éstos productos muestran ventajas como: medición de DO no invasiva, sin consumo de oxígeno, fácil de utilizar en pequeños volúmenes, y robustez de la medición del tiempo de observación de fluorescencia (Kirk y Szita 2013).

El principio de la medida se origina desde un LED que emite luz a 475 nm hacia el elemento sensible, que consiste en una fina capa sol-gel hidrofóbico que entra en contacto con la muestra. Esta matriz sol-gel está impregnada de un complejo de Rutenio inmovilizado y protegido del agua. La luz LED excita el complejo de Rutenio que fluorece emitiendo energía a 600 nm. Si la excitación se produce en presencia de oxígeno, parte de la energía generada se transfiere a las moléculas de oxígeno, disminuyendo así la señal fluorescente. El grado de disminución de fluorescencia está directamente relacionado con la concentración de oxígeno en contacto con el elemento sensible ( Bacon y Demás 1987; Zanzotto y col 2004). Las ventajas del método frente al electrodo de membrana son: no necesitan flujo de muestra; la presencia de H2S o NH3 en el medio o burbujas no afecta la medición; No necesita tiempo de polarización y presenta tiempo- de respuesta muy corto. En relación a los sensores luminiscentes, el sensor de fluorescencia no es afectado por la luz solar directa y no es necesario que el sensor permanezca húmedo. Sin embargo, una de las desventajas asociadas al método de fluorescencia se asocia a que la intensidad de la radiación fluorescente emitida por el sensor puede cambiar en función de la intensidad de la radiación excitante.

El dispositivo de la invención de la presente solicitud permite la medición de la saturación y DO de un cuerpo de agua. Así como otras tecnologías de medición también utiliza un pigmento fluorescente atrapado en una matriz sol-gel que permite medir la disminución (quenching) de la fluorescencia por la presencia de oxígeno. Pero en este caso su operación no depende exclusivamente del complejo rutenio, pudiendo utilizar cualquier otro tipo de pigmento, que al ser activado por un pulso de luz tenga la capacidad de atenuar la fluorescencia en presencia de oxígeno. A diferencia de lo equipos existentes que utilizan una señal de estimulación sinusoidal donde se mide la señal de fluorescencia usando un fotodiodo y un complejo de filtros ópticos, el dispositivo no utiliza una señal sinuosidad para determinar el "quenching" de la fluorescencia sino que mide la atenuación de la fluorescencia de un pigmento incluido en un complejo sol gel en oscuridad luego de ser afectado por un pulso de luz, evitando así la necesidad de utilizar filtros ópticos y eliminar el ruido que se produce al mantener constante el pulso de luz. El decaimiento de la fluorescencia emitido por el pigmento fotosensible es registrado en oscuridad por medio de un sensor fotodiodo que digitaliza la señal y luego la retransmite pasando por un amplificador de señal hacia un procesador integrado que trabaja a alta velocidad (1 a 2 millones de muestras por segundo) que opera controlado por un software especialmente desarrollado procesa la información relacionando cada punto de la curva de decaimiento de la fluorescencia respecto de la presencia de oxigeno disuelto en el cuerpo de aguas.

Las ventajas del dispositivo incluyen la adaptabilidad de utilización de nuevos pigmentos que pudieran ser desarrollados en el futuro y además permite reducir los costos y tamaño del dispositivo debido a la ausencia de filtros ópticos de uso común en la tecnología actual existente en el mercado. El dispositivo de características herméticas opera durante tqda su vida útil con la calibración de fábrica y en relación a la precisión de la medición se presenta como una solución libre de mantención.

El dispositivo óptico portátil para el registro y monitoreo de la saturación y concentración de DO en un cuerpo de agua que opera respecto de la atenuación de luz registrada en oscuridad sobre un pigmento fotosensible luego de haber sido activado por un pulso de luz. Está formado por un contenedor tubular hermético portátil confeccionado en plástico o metal de 20 centímetros de largo y 3 centímetros de diámetro, en cuyo interior se aloja una tarjeta electrónica donde se fijan los distintos componentes que permiten al dispositivo cuantificar la saturación y DO presente en un cuerpo de agua. Esto es; a) un sensor de temperatura; b) una fuente de emisión de luz; c) un fotodiodo sensor de fluorescencia; d) un componente amplificador de señal óptica y e) un microprocesador integrado que analiza de datos analógicos a alta velocidad en el rango de 1 - 2 millones de muestras de fluorescencia por segundo, que controla el proceso de registro y transformación de cada señal eléctrica en relación a la atenuación de fluorescencia del pigmento frente al DO en condiciones de oscuridad a través de un software integrado. El extremo del contenedor tubular hermético cuenta en su extremo con una tapa porta membrana donde se fija la membrana sol-gel que encapsula el pigmento y que en presencia de oxígeno reacciona con atenuación de fluorescencia luego de concluido el pulso de luz.

El dispositivo presenta una tarjeta electrónica integrada que aloja los componentes que controlan el proceso de registro de saturación y DO donde fija una fuente de iluminación LED azul o roja que emite un pulso de luz sobre el pigmento presente en la superficie de la membrana complejo sol-gel fotosensible. La señal de decaimiento de fluorescencia es registrada por un fotodiodo (sensor de luz) desde la superficie de la membrana complejo sol-gel en condiciones de oscuridad y ausencia de filtros ópticos integrados y transmitida hacia un componente amplificador que luego la retransmite hacia un microprocesador integrado que opera a alta velocidad en el rango de 1 - 2 millones de muestras por segundos que procesa la información de decaimiento de la luz, la relaciona con la temperatura ambiente y la integra en un periodo de tiempo definido por el usuario para calcular el valor de concentración y saturación de oxígeno. El dispositivo opera conectado a través de un cable a un panel de registro visual de la información donde se archiva y administra cada registro y luego queda disponible para ser transmitido en forma inalámbrica hacia dispositivos de registro fijo o móvil según se requiera.

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

Fig. 1.- Detalle exterior del sensor óptico

Fig. 2.- Detalle interior del sensor óptico

Fig. 3.- Detalle del sensor óptico conectado al panel de visualización DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN

El presente dispositivo sensor óptico para la medición de saturación y oxígeno disuelto (fig. 1), esta conformado por un cable de conexión (1) que permite la conducción de la información hacia distintas tecnologías de almacenamiento de información computadores, celulares o cajas electrónicas de comunicación remota. El cuerpo del dispositivo construido en plástico o acero inoxidable esta formado por un contenedor tubular estanco (2) en cuyo extremo se aloja una tapa porta membrana de sellado hermético (5). En la (fig. 2) se describe el interior del dispositivo una tarjeta electrónica (1 1 ) que cuenta con un software de control integrado y se fijan una serie de elementos electrónicos de proceso y componentes emisores y receptores de luz que en su conjunto permiten el registro óptico de la saturación y oxigeno disuelto en un cuerpo de agua. En el extremo del dispositivo se ubica la tapa porta membrana (4) donde se aloja cualquier tipo de pigmento fluorescente (3) que cuente con la característica de que al ser excitado con un pulso de luz azul o rojo, presente decaimiento de fluorescencia en presencia de oxígeno. Junto a este se fija el cuerpo de la tapa porta membrana de sellado hermético (5) cuya pared cuenta con una ventana transparente de paso de luz (6) que estructura el límite de interacción entre los componentes fotosensibles y el medio interior del dispositivo y además permite el paso del pulso de luz incidente sobre el pigmento fluorescente (3) y luego en fracción de segundos el paso de luz fluorescente emitida por el pigmento fotosensible alojado en la tapa porta membrana (4). El proceso óptico de registro de saturación y oxigeno disuelto, es ejecutado por distintos componentes ubicados en la tarjeta electrónica (1 1) que para este efecto cuenta con una fuente de emisión de luz LED de estimulación (8) que emite un pulso de luz en el espectro de rojo o azul que una vez emitida se proyecta a través de la ventana transparente de paso de luz (6) presente en el cuerpo de la tapa porta membrana de sellado hermético (5) y actúa sobre el pigmento fluorescente (3) alojado en la tapa porta membrana (4). En el acto en fracción de segundos y en ausencia de luz, la membrana fotosensible reacciona emitiendo una señal de decaimiento de fluorescencia que retorna hacia el interior del dispositivo a través de la ventana transparente de paso de luz (6) presente en el cuerpo de la tapa tubular porta membrana de sellado hermético (5) cuyo decaimiento de fluorescencia se encuentra asociado a la presencia de oxigeno, es registrado por el fotodiodo sensor de fluorescencia (7) ubicado en la tarjeta electrónica (11) y la transmite en forma digital hacia un componente electrónico amplificador de la señal eléctrica (9) que procesa la señal amplificando su intensidad y la transmite hacia el microprocesador integrado (10) que cuenta con un software integrado que en su conjunto realiza el análisis de datos analógicos a alta velocidad en el rango de 1 - 2 millones de muestras de fluorescencia por segundo hasta transformar la señal eléctrica de decaimiento de fluorescencia capturada en el pigmento fotosensible en un valor de saturación y concentración de oxigeno. El microprocesador integrado (10) recibe además una señal de temperatura capturada por un sensor de temperatura (12) presente en el interior del dispositivo cuyos registros son integrados en el proceso de para determinar los registros de saturación de oxigeno respectivo. En el extremo de la tarjeta electrónica (1 1 ) se encuentran los terminales de conexión que se unen al cable de transporte de la información (1). La (fig. 3) muestra el armado del dispositivo contenedor tubular estanco (2) y cable de transporte de la información (1) conectado al panel de registro visual de la información (13) donde se almacena la información y queda disponible para ser transmitida en forma inalámbrica o traspasada hacia algún dispositivo de almacenamiento de información (celular, memoria, computador u otro).