La rivelazione senza contatto e label-free del contenuto di urea nelle soluzioni acquose è di grande interesse nelle applicazioni chimiche, biomediche, industriali e automobilistiche. Nel mio lavoro di tesi è stata sviluppata una configurazione strumentale compatta e a basso costo per la rivelazione label-free, reagent-free e senza contatto dell’urea disciolta in acqua, sfruttando le proprietà di assorbimento dell’urea nella regione spettrale del vicino infrarosso. L’intensità della radiazione trasmessa attraverso il fluido in esame, contenuto in un capillare di vetro rettangolare con cammino ottico di 1 mm, viene rilevata in due bande spettrali. Sono state usate due sorgenti LED a basso costo e a bassa potenza con spettri di emissione centrati alle lunghezze d’onda di λ = 1450 nm e λ = 2350 nm. Il fotorivelatore è posizionato sull’altro lato del capillare, di fronte ai LED. Sono state confrontate le prestazioni di rivelazione di un fotodiodo amplificato e di una termopila, sfruttando differenti approcci per modulare la corrente di pilotaggio dei LED ed elaborare il segnale rivelato. Il sistema di rivelazione implementato è stato testato su soluzioni di urea e acqua con concentrazioni di urea da 0 a 525 mg/mL e su due campioni di liquido AdBlue™. Sono state calcolate le intensità trasmesse in presenza delle soluzioni urea-acqua a λ = 1450 nm e λ= 2350 nm, normalizzate all’intensità trasmessa in presenza di acqua, ottenendo rispettivamente T1450(C) e T2350(C). È stato dimostrato che il loro rapporto è linearmente correlato alla concentrazione di urea in un ampio intervallo e con una buona sensibilità. Con la retta di taratura ricavata sono state stimate le concentrazioni di urea di due campioni di AdBlue™. La configurazione strumentale realizzata in laboratorio per misure di assorbimento è stata applicata su sostanze alimentari, quali soluzioni di urea nel vino bianco e di caffeina in acqua.
Contactless and label-free detection of urea content in aqueous solutions is of great interest in chemical, biomedical, industrial, and automotive applications. In my thesis work, a compact and low-cost instrumental configuration was developed for label-free, reagent-free, and contactless detection of urea dissolved in water, which exploits the absorption properties of urea in the near infrared wavelength region. The intensity of the radiation transmitted through the fluid under test, contained in a rectangle hollow glass tubing with optical pathlength of 1 mm, is detected in two spectral bands. Two low-cost, low-power LEDs with emission spectra centered at λ = 1450 nm and λ = 2350 nm are used as readout sources. The photodetector is positioned on the other side of the tubing, in front of the LEDs. The detection performances of a photodiode and of a thermal optical power detector have been compared, exploiting different approaches for LED driving current modulation and photodetected signal processing. The implemented detection system has been tested on urea–water solutions with urea concentrations from 0 up to 525 mg/mL as well as on two samples of commercial diesel exhaust fluid AdBlue™. Considering the transmitted intensity in presence of the urea-water solution, at λ = 1450 nm and λ = 2350 nm, normalized to the transmitted intensity in presence of water, was demonstrated that their ratio is linearly related to urea concentration on a wide range and with good sensitivity. Using the derived calibration line, the urea concentrations of two AdBlue™ samples were estimated. The instrumental configuration for absorption measurements was tested to food substances, such as solutions of urea in white wine and caffeine in water.
Sviluppo di un sensore ottico basato su assorbimento di radiazione infrarossa per la rivelazione di urea in soluzioni acquose
ANELLI, CARLO
2022/2023
Abstract
La rivelazione senza contatto e label-free del contenuto di urea nelle soluzioni acquose è di grande interesse nelle applicazioni chimiche, biomediche, industriali e automobilistiche. Nel mio lavoro di tesi è stata sviluppata una configurazione strumentale compatta e a basso costo per la rivelazione label-free, reagent-free e senza contatto dell’urea disciolta in acqua, sfruttando le proprietà di assorbimento dell’urea nella regione spettrale del vicino infrarosso. L’intensità della radiazione trasmessa attraverso il fluido in esame, contenuto in un capillare di vetro rettangolare con cammino ottico di 1 mm, viene rilevata in due bande spettrali. Sono state usate due sorgenti LED a basso costo e a bassa potenza con spettri di emissione centrati alle lunghezze d’onda di λ = 1450 nm e λ = 2350 nm. Il fotorivelatore è posizionato sull’altro lato del capillare, di fronte ai LED. Sono state confrontate le prestazioni di rivelazione di un fotodiodo amplificato e di una termopila, sfruttando differenti approcci per modulare la corrente di pilotaggio dei LED ed elaborare il segnale rivelato. Il sistema di rivelazione implementato è stato testato su soluzioni di urea e acqua con concentrazioni di urea da 0 a 525 mg/mL e su due campioni di liquido AdBlue™. Sono state calcolate le intensità trasmesse in presenza delle soluzioni urea-acqua a λ = 1450 nm e λ= 2350 nm, normalizzate all’intensità trasmessa in presenza di acqua, ottenendo rispettivamente T1450(C) e T2350(C). È stato dimostrato che il loro rapporto è linearmente correlato alla concentrazione di urea in un ampio intervallo e con una buona sensibilità. Con la retta di taratura ricavata sono state stimate le concentrazioni di urea di due campioni di AdBlue™. La configurazione strumentale realizzata in laboratorio per misure di assorbimento è stata applicata su sostanze alimentari, quali soluzioni di urea nel vino bianco e di caffeina in acqua.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/17145