Search

Desde principios de siglo los cambios en la sociedad, la investigación de nuevos (nano)materiales y la aparición de internet y de nuevas tecnologías han sido tres pilares fundamentales en los que se ha basado el desarrollo de la química analítica. Gracias a los recientes avances tecnológicos se ha generado un gran impulso hacia la creación de nuevas herramientas y dispositivos. Esto, junto con la evolución en la informática ha conllevado a la automatización y miniaturización de los sistemas analíticos, reduciendo los tiempos de análisis y mejorando los resultados obtenidos. Una de las exigencias a tener en cuenta dentro de la química actual es aproximarla a los calificativos sostenible y verde. El concepto “sostenible” apareció por primera vez en los años 70, basándose en la unión del desarrollo económico y la preservación de los ecosistemas naturales. Se planteó con la intención de concienciar sobre las consecuencias negativas en el medio ambiente derivadas de la globalización, la industrialización y del crecimiento de la población. En concreto, la química sostenible, tiene en cuenta los posibles efectos producidos por el procesado de materiales, la obtención de recursos energéticos y el impacto social y económico. Al mismo tiempo, la química sostenible también se centra en el control del consumo de recursos y de energía, de manera que se puedan regenerar de forma natural y que la generación de residuos vaya a un ritmo más lento que la gestión de estos. Más tarde, debido a la preocupación por la contaminación ambiental producida por la industria química, apareció en la década de los 90 el termino química verde. Fueron Anastas y Warner quienes en 1998 plasmaron estas preocupaciones en una lista de 12 principios como guía para realizar buenas prácticas en química. Así, la química verde puede ser entendida como el diseño, el desarrollo y la puesta en práctica de procesos químicos o de productos para reducir o incluso eliminar el uso y la generación de sustancias tóxicas y peligrosas. En el campo de la química analítica, siguiendo los pasos de la química verde, apareció la necesidad de crear protocolos y dispositivos para evitar el uso de reactivos peligrosos y para facilitar el análisis in-situ, la miniaturización de procedimientos y de instrumentación y la reducción de costes, de residuos y de consumo de energía, entre otros. Así pues, Gałuszka propuso doce principios para ayudar a la creación de laboratorios analíticos más verdes. Teniendo en cuenta estos principios, es importante encontrar el equilibrio entre rendimiento, coste, complejidad, fiabilidad y sostenibilidad en el momento de elegir la mejor opción para abordar cualquier cuestión que se plantee. Siguiendo las ideas expuestas anteriormente y en consonancia con los problemas de la sociedad actual, se ha observado la necesidad de desarrollar nuevos dispositivos que sean capaces de resolver problemas de la vida diaria en el mismo sitio donde aparecen. Estas necesidades, junto con las recientes evoluciones en las tecnologías de microsensores, ha conducido al desarrollo de instrumentación portátil como una posible alternativa para la solución de estos problemas. Estas herramientas se caracterizan por tener un tamaño y peso reducido, bajo consumo de energía, relación calidad precio muy satisfactoria, trabajar con interfaces de usuario sencillas, ser capaces de trabajar en diferentes ambientes y tener la capacidad de procesar y comunicar los datos obtenidos con facilidad. Cabe destacar también su facilidad para ser utilizados por personal no especializado, además de presentar una gran versatilidad, lo que les permite ser utilizados en diferentes campos de aplicación. En esta Tesis se ha descrito el concepto de instrumentación portátil tal como se entiende en la actualidad y se ha evaluado el posible uso de varios de estos dispositivos como instrumentos de medidas para realizar análisis in situ con diferentes técnicas y en diferentes campos. En los últimos 10 años, la mayoría de dispositivos portátiles desarrollados se han centrado en métodos de análisis espectroscópicos, seguidos de métodos cromatográficos, electroquímicos y de espectrometría de masas. Las principales características de las técnicas analíticas mencionadas han sido comparadas con instrumentación de laboratorio, estableciendo sus principales puntos fuertes y débiles. Concretamente, en esta tesis se ha evaluado la portabilidad en la química analítica desde tres estrategias distintas: 1- Sensores ópticos y medidas con instrumentación portátil. 2- Cromatografía de capa fina de alto rendimiento miniaturizada y medidas con dispositivos portátiles. 3- Sensores electroquímicos y voltamperometría cíclica portátil. Un (bio)sensor óptico consiste en un elemento de reconocimiento que interacciona con el compuesto de interés produciendo un cambio de color. Este color es proporcional a la concentración del analito objeto de estudio y puede ser fácilmente detectado por el ojo humano, aunque para obtener un análisis cuantitativo es necesario el uso de instrumentación. Diversos estudios se han realizado de manera satisfactoria utilizando estos tipos de sensores combinados con instrumentación portátil. Además, más recientemente también se ha visto como su combinación junto con el uso de teléfonos móviles puede dar lugar a aplicaciones sostenibles en diversos campos como la salud, la seguridad alimenticia y la protección medioambiental. Existen diversos tipos de dispositivos sensores ópticos, como los sensores de liberación de reactivos, sensores sólidos, kits de pruebas, tiras reactivas, plataformas microfluídicas, tubos colorimétricos, matrices colorimétricas y sensores plasmónicos. Además, estos dispositivos pueden estar producidos con diferentes materiales, en consecuencia, la investigación de nuevos polímeros capaces de presentar alternativas más sostenibles y la investigación de nanomateriales es una de las principales corrientes de estudio en el desarrollo de (bio)sensores. Los nanomateriales presentan una gran superficie específica que tiene un papel clave en la inmovilización de (bio)moléculas, además, muestran propiedades fisicoquímicas únicas difíciles de encontrar en las moléculas pequeñas. En consecuencia, una gran variedad de nanomateriales se ha utilizado para mejorar numerosas técnicas de desarrollo de (bio)sensores. Celulosa, zeína proteína que se extrae del maíz, polidimetilsiloxano (PDMS), nylon, vidrio o tetraetilortosilicato (TEOS) son algunos de los materiales utilizados en los últimos años. En esta Tesis se ha prestado especial atención al PDMS, Nylon y celulosa como soportes para diferentes sensores colorimétricos. Además, también se ha estudiado el TEOS como modificador hidrofílico y utilizado el vidrio para inmovilizar la enzima ureasa. Tradicionalmente, los sensores ópticos se han medido con instrumentación convencional; sin embargo, las medidas espectroscópicas también pueden realizarse con instrumentación portátil y con teléfonos móviles. Existen espectrómetros miniaturizados que pueden acoplarse a la cámara del smartphone para realizar el análisis espectral. Además, el espectrómetro puede equiparse con sondas de fibra óptica con el fin de obtener mediciones más exactas y precisas. Así pues, debido a su pequeño tamaño, su versatilidad y su fácil portabilidad, los espectrómetros para teléfonos móviles son una buena alternativa que puede ser utilizada en diferentes aplicaciones. Los teléfonos móviles también ofrecen la posibilidad de capturar imágenes con sus cámaras para su posterior análisis de imagen. Recientemente se han lanzado al mercado smartphones con mejores cámaras que presentan ajustes más complejos. Estas nuevas configuraciones permiten a los clientes ajustar parámetros de la cámara como la sensibilidad a la luz (ISO), el balance de blancos, el tiempo de exposición o la temperatura del color, reduciendo los errores sistemáticos al realizar el análisis del color. Para llevar a cabo el análisis del color, los colores de una imagen digitalizada se convierten en parámetros o valores numéricos, que dependen del modelo de color seleccionado, utilizando un software de edición de imágenes, los cuales permiten también procesar las imágenes para obtener mejores resultados. Los parámetros de color obtenidos dependen del modelo de color elegido, como las coordenadas rojo-verde-azul (RGB), cian-magenta-amarillo-negro (CMYK), tono-saturación-valor (HSV) o los parámetros CIELAB. Además, hoy en día, debido a su uso generalizado en todo el mundo, existe un amplio tipo de Apps comerciales para Android y para iOS que dan también la posibilidad de obtener parámetros de color al instante, así como aplicaciones diseñadas que analizan los datos obtenidos al instante para obtener resultados directos. En las últimas décadas se ha producido un importante crecimiento en el interés y la popularidad de la cromatografía hasta convertirse en una técnica líder en la química analítica motivado por la necesidad de separar analitos para el estudio de matrices complejas. La cromatografía de capa fina de alto rendimiento (HPTLC) es una técnica que permite realizar mediciones in situ con una detección rápida y un análisis de bajo coste. Para obtener un análisis cualitativo y cuantitativo adecuado, el desarrollo del método es uno de los pasos más críticos y puede dividirse en los siguientes pasos: selección de la fase estacionaria, selección y optimización de la fase móvil, aplicación de la muestra, desarrollo cromatográfico y detección. La HPTLC puede combinarse con diferentes metodologías de detección proporcionando separaciones eficientes y buenas sensibilidades. Además, también ofrece la posibilidad de realizar análisis cuantitativos utilizando instrumentación más moderna como los smartphones, lo que ha llevado a un rápido crecimiento con importantes implicaciones en el marco de la química analítica. En esta Tesis se ha estudiado la combinación de HPTLC con smartphones, para la determinación de lactosa y gluten en diferentes matrices. La electroquímica ofrece una perspectiva prometedora para la miniaturización de los sistemas analíticos, con características que incluyen una alta sensibilidad, bajo coste, bajos requisitos de energía y alta compatibilidad con tecnologías avanzadas. En consecuencia, las metodologías portátiles para el análisis electroquímico se han utilizado para la detección de analitos importantes (proteínas, ácidos nucleicos, proteínas, contaminantes, metabolitos o metales) en muchas áreas diferentes de la química analítica como, por ejemplo, la salud, el análisis clínico, la calidad de los alimentos y del agua, y la seguridad del medio ambiente. En este sentido, el desarrollo de sensores electroquímicos ha sido un tema de gran interés dentro de la química analítica. Se basa en tres componentes esenciales: la muestra, donde se encuentra el analito de interés, el elemento de reconocimiento, donde se produce una interacción biológica o química con la especie objeto de estudio y el transductor, un elemento físico-químico que convierte esta interacción en una respuesta electroquímica. Existen diferentes tipos de transductores que pueden utilizarse para construir biosensores. Los más utilizados son el oro (Au), el platino (Pt), el mercurio (Hg) y los materiales basados en el carbono como los electrodos de carbono serigrafiados (SPCE), diamante dopado con boro (BDD) y carbono vítreo (GC). Además, Los sensores electroquímicos pueden mostrar una alta selectividad y sensibilidad debido a la posibilidad de adaptar la interacción específica de los compuestos mediante la inmovilización, en la superficie del transductor, de elementos de reconocimiento químico o biológico que tengan una afinidad de unión específica con la molécula objetivo. Este proceso se conoce como modificación de la superficie y puede realizarse mediante diferentes estrategias. En la actualidad, existen diferentes métodos conocidos para la modificación de superficies, como la salinización y la fosfatación de superficies oxidadas, el autoensamblaje de tioles en oro y otros metales y la reacción electroquímica conocida como electrografting. En esta tesis se ha estudiado la modificación superficial de electrodos GC y BDD, prestando especial atención al electrografting por reducción de sales de diazonio para su posterior funcionalización. La modificación de los electrodos y la medida de su respuesta se han realizado mediante voltamperometría cíclica utilizando un potenciostato portátil. El objetivo general de esta Tesis es la evaluación de la instrumentación portátil y el estudio de varias estrategias para su combinación con diferentes metodologías analíticas con el fin de demostrar que no sólo pueden ser una alternativa adecuada a la instrumentación convencional, sino que, además, pueden aportar soluciones óptimas para el análisis in situ. En concreto, los objetivos específicos son: 1- Evaluar y optimizar instrumentación portátil, incluyendo smartphones. Estudio de diferentes estrategias de control de las condiciones experimentales y de la influencia de la luz. Realización de análisis con la instrumentación portátil propuesta para las mediciones de sensores ópticos in situ. 2- Desarrollar métodos analíticos basados en la combinación de HPTLC con medidas utilizando instrumentación portátil para la detección y cuantificación in situ de alérgenos alimenticios en diferentes muestras reales. 3- Modificar la superficie de electrodos de GC y BDD mediante electrografting de sales de diazonio para la fabricación de biosensores, y su posterior medida con voltametría cíclica utilizando instrumentación portátil. Se ha establecido la información proporcionada por varios instrumentos desde un punto de vista analítico, verde y sostenible, para evaluar la instrumentación portátil. Uno de los aspectos más importantes relacionados con la medida con smartphones es el control de las condiciones experimentales y de medida. Para ello, se estudió la influencia de condiciones, como el modelo de teléfono móvil y el tamaño y la posición de la muestra, y se han establecido reglas utilizando una paleta de 45 colores como conjunto de validación. Se obtuvieron buenos resultados en términos de intensidades de absorbancia, forma del espectro y en términos de precisión (RSD < 2.5%) en comparación con la instrumentación de laboratorio y otros equipos portátiles. Además, mediante la huella de carbono se observó que los teléfonos inteligentes son una alternativa adecuada y más sostenible para el análisis in situ. Otro aspecto clave a la hora de trabajar con smartphones es controlar la influencia de la luz. Es por esto, que se estudió su influencia, evaluando varias fuentes de luz, como la halógena, la LED y la luz diurna, con el fin de estudiar su influencia en los resultados analíticos. El análisis espectral y del color de la imagen se llevó a cabo utilizando una caja portátil de luz, para controlar la luz incidente, y un conjunto de 45 colores y una paleta de corrección del color como conjunto de validación. La paleta de corrección del color también se utilizó para el diseño de una metodología de procesado de imagen para la aproximación a colores reales. Los resultados obtenidos para el análisis espectral fueron mejores cuando se utilizó una lámpara halógena, sin embargo, para el análisis de las coordenadas RGB se obtuvieron mejores resultados con luz LED. También se estudió la elección de una determinada coordenada de color RGB observando que los mejores resultados se obtenían cuando el parámetro RGB seleccionado era el más cercano al color complementario del tono de color del sensor analizado. Otro de los enfoques estudiados en esta Tesis es el desarrollo de dispositivos colorimétricos para el análisis in situ y su posterior medición mediante las estrategias validadas. En este sentido, se ha propuesto un sensor colorimétrico basado en la inmovilización de NQS como reactivo derivatizante en un composite de PDMS/TEOS/SiO2NPs como sensor de amoníaco para cuantificar NH4+ y urea en muestras de agua y orina humana. El sensor mostró una buena precisión (RSD < 8%), una estabilidad satisfactoria y una versatilidad prometedora al analizar diferentes muestras de aguas residuales y diferentes orinas humanas. La respuesta colorimétrica obtenida se registró mediante reflectancia difusa con un instrumento de laboratorio como referencia y medidas con smartphone para el análisis cuantitativo. En ambos casos, se obtuvieron resultados satisfactorios y mostraron una buena concordancia. También se analizó su respuesta a urea sin y con la hidrólisis de la urea en presencia de la enzima ureasa en solución e inmovilizada en un soporte de vidrio. Los resultados obtenidos indican que el sensor propuesto también puede aplicarse para analizar grupos amino presentes en matrices biológicas, como la orina, además de matrices acuosas, demostrando también la idoneidad de los dispositivos móviles para realizar análisis colorimétrico de sensores sólidos. Las estrategias desarrolladas también se ensayaron analizando sensores de múltiples colores, cubriendo diferentes rangos espectrales. En este sentido, se han propuesto como casos de estudio un sensor plasmónico soportado en nylon para la evaluación de sulfuro de hidrógeno en muestras de aliento, un sensor basado en papel para determinar sulfuro de hidrógeno en matrices de agua y un sensor de PDMS que dispensa el reactivo de Griess para medir la presencia de nitritos en disolución. Se estableció el uso de la fibra óptica como la mejor opción cuando se trabaja con el espectrómetro portátil unido al teléfono móvil utilizando una fuente de luz halógena. Por otro lado, para el análisis de imágenes, se demostró que el uso de luz LED seguido del procesamiento de imágenes proporcionaba los mejores resultados. Los resultados obtenidos han demostrado que los teléfonos inteligentes son una herramienta satisfactoria para el análisis in situ. Se ha propuesto la combinación de la cromatografía en capa fina de alto rendimiento con una reacción de derivatización y detección colorimétrica basada en las medidas con un smartphone. Se han realizado dos estudios diferentes. Por un lado, se llevó a cabo una separación de carbohidratos para la detección de lactosa y por otro lado, también se realizó una separación cromatográfica de proteínas para el aislamiento del gluten. El objetivo de este estudio era la detección selectiva de ambos alérgenos en muestras reales. Se obtuvieron resultados satisfactorios alcanzando LOD a nivel de trazas y se demostró la potencial aplicación del método determinando lactosa en muestras de leche y en muestras de leche sin lactosa. Se obtuvieron buenos resultados en términos de precisión y exactitud con valores de RSD inferiores al 9% y una recuperación media del 102 %. También se ensayaron muestras de superficies de puntos críticos de industrias alimentarias y muestras de aguas efluentes de industrias lácteas obteniendo buenos resultados. También se ha desarrollado un método de separación de proteínas que combina la HPTLC con la detección colorimétrica con un smartphone para el análisis in situ del gluten. Se obtuvieron parámetros analíticos satisfactorios como la linealidad, LODs, LOQs y RSD. Además, se propuso un método de cribado que proporciona una respuesta sí/no utilizando el LOD como valor de corte para determinar gluten en las industrias alimentarias. Se analizaron muestras de superficies de puntos críticos de industrias alimenticias utilizando el método propuesto obteniendo resultados prometedores. También se ha evaluado el uso de instrumentación portátil en electroquímica. Se ha demostrado que la modificación de la superficie de los electrodos de trabajo puede ser una herramienta importante para obtener una mayor selectividad y sensibilidad. En este sentido, se ha estudiado el desarrollo de dos sensores electroquímicos y el uso de diferentes estrategias para su fabricación. En primer lugar, se evaluó un sensor electroquímico basado en la inmovilización de un compuesto redox activo como molécula sonda como la antraquinona en dos electrodos de trabajo diferentes con el fin de elaborar mejores biosensores. Por otro lado, también se estudió la determinación de 2,6-DNT por voltamperometría cíclica modificando un electrodo de carbono vitrificado mediante la reducción de una sal de diazonio y su posterior funcionalización con 2,6-DNT. Así pues, se ha propuesto una ruta fiable y consistente para la modificación superficial de electrodos de GC y BDD a través de la reducción de una sal de diazonio seguido de una inmovilización cruzada de antraquinona. La modificación de la superficie y la inmovilización de la antraquinona en los sensores electroquímicos se confirmó mediante voltamperometría cíclica utilizando un potenciostato portátil. Además, se demostró que la antraquinona inmovilizada en interfaces de GC y BDD mediante procedimientos idénticos tiene diferentes densidades superficiales, valores aparentes de pKa1 y cinética de transferencia de electrones. Los resultados obtenidos pusieron de manifiesto que las propiedades químicas y electroquímicas fundamentales de las moléculas adheridas dependen en gran medida del sustrato, lo que proporciona pautas para un mejor desarrollo de biosensores. También se ha estudiado la inmovilización de 2,6-DNT en la superficie de un electrodo de GC, tanto para superficies no modificadas como para superficies modificadas. Ambos electrodos mostraron buenas linealidades, sin embargo, se logró una mayor sensibilidad cuando se utilizaron electrodos modificados. Además, se han estudiado dos comportamientos diferentes que tienen lugar en función de la concentración de 2,6-DNT mediante el estudio de la densidad superficial, los eventos de transferencia de electrones acoplados y la cinética de transferencia. Todos los procesos de preparación del sensor y el análisis cuantitativo se realizaron mediante voltamperometría cíclica utilizando un potenciostato portátil. Se ha desarrollado un dispositivo novedoso, portátil, rápido, ultrasensible y de coste efectivo para la determinación in situ de 2,6-DNT a nivel de trazas. Currently, society is demanding new devices for monitoring real applications to solve in place problems. This, along with the recent evolution in new technologies, have contributed to the development of portable instrumentation. In this sense, the use of portable instrumentation has significantly increased over the last years in a wide range of scientific areas. The present Thesis is focused on the evaluation of several portable devices from different techniques and the development of new strategies in order to enhance the portability and sustainability in analytical chemistry. The proposed methodologies have been based on the control of experimental and measurement conditions in order to perform more accurate in situ analysis following the trends of sustainable and green analytical chemistry. Therefore, the analytical information given by several instruments has been compared from an analytical and a sustainable point of view in order to evaluate portable instrumentation. The control of experimental and measurement conditions has been optimized, and some rules have been stablished for working with smartphones. Another key aspect when working with smartphones is to control of the influence of light. In this sense, several light sources and different measurement strategies have been evaluated in order to improve the results provided. Another approach studied in this Thesis is the development of colorimetric devices for in situ analysis and their following measurement using the validated strategies. Accordingly, a NQS-doped PDMS-based sensor was evaluated as a potential application to determine NH4+ and urea in water and urea samples respectively. The developed strategies were also tested analyzing sensors of multiple colors, covering different spectral ranges, and supported in different materials. In this regard, a nylon-supported plasmonic sensor for the evaluation of hydrogen sulfide in breath samples, a paper-based sensor to determine hydrogen sulfide in water matrices and a PDMS delivery sensor to measure the presence of nitrites in solution have been proposed as study cases. HPTLC is a very useful technique that can be used to separate analytes in complex matrices. Two different studies have been performed with the aim of studying the selective detection of food allergens in real samples. To this end, the combination of high-performance thin layer chromatography with a derivatization reaction and colorimetric detection based on smartphone measurements has been proposed. On the one hand, a carbohydrate separation was carried out for the detection of lactose and on the other hand, a protein chromatographic separation was also performed for the isolation of gluten. The use of portable instrumentation in electrochemistry has also been evaluated. In this sense, the development of two electrochemical sensors and the use of different strategies for their fabrication have been studied. First, an electrochemical sensor based on the immobilization of a redox active compound as a probe molecule such as anthraquinone on two different working electrodes was evaluated in order to elaborate better biosensors. On the other hand, the determination of 2,6-DNT by cyclic voltammetry was also studied by modifying a glassy carbon electrode through the reduction of a diazonium salt and its subsequent functionalization with 2,6-DNT. The immobilization of studied molecules was confirmed by cyclic voltammetry using a portable potentiostat demonstrating that, although portable instrumentation is usually selected for field analysis, it can also be used for laboratory measurements. Therefore, in this Thesis the suitability of portable devices, including smartphones, for performing in situ analysis have been widely demonstrated being satisfactorily combined with different methodologies such as colorimetric sensors, HPTLC and electrochemical procedures.

Não recebi financiamento Hollow-Core Anti-Resonant Optical Fibers (AR-HCF) is a novel hollow-core fiber with a low refractive index in the core and a high refractive index in the cladding. Unlike conventional solid-core optical fibers, where light confinement occurs by total internal reflection, in hollow-core fibers, this confinement can be explained by photonic bandgap mechanisms and by the theory of leaky modes. This work describes the simulations of AR-HCF using the finite element method (FEM), aiming its application in optical sensing. We performed numerical simulations using COMSOL Multiphysics software to study the propagation characteristics of AR-HCF. Also, we made simulation-related analyses, such as boundary conditions, size of mesh elements suitable to be used, and methods to reduce computational effort. Furthermore, this work demonstrates the potential application of AR-HCF as efficient sensors for the simultaneous detection of three gases: methane (CH4), carbon monoxide (CO), and nitrogen monoxide (NO). We investigated two fibers, one made of silicon oxide (SiO2) and indium(III) fluoride (InF3), to demonstrate the impact of the fiber material on performance over a wide wavelength range. We also considered in simulations the insertion of small holes perpendicular to the fiber length to enable the gas entry in the fiber's hollow core. The simulation results show that the designed fibers present low losses in the wavelengths of the absorption lines of the three gases. The highest attenuation value obtained in the simulations was 5.76dB/m for the SiO2 fiber and 0.06dB/m for the InF3 fiber, for λ = 5262.95 nm. Also, a linear behavior of the attenuation as a function of the gas concentration for the three gases of interest in the two designed fibers was obtained in the simulations. The sensitivity obtained by the sensor using an InF3 fiber with a length of 10 meters was 3.8x10^-2 (mV/ppm), 31x10^-2 (mV/ppm) and 11x10^-2 (mV/ppm) for the gases CH4, CO and NO, respectively. For the sensor using a SiO2 fiber with a length of 5 meters, the sensitivity estimated in this work was 1.9x10^-2 (mV/ppm), 15x10^-2 (mV/ppm) and 5.5x10^-2 (mV/ppm) for the gases CH4, CO and NO, respectively. In terms of the detection limits, the fiber made of InF3 material is capable of detecting concentrations of 13.2 to 86271 (ppm) of CH4, 1.6 to 10473 (ppm) of CO and 4.5 to 29340 (ppm) NO. The limits of detection for the fiber constituted of SiO2 were 26.5 to 163990 (ppm) of CH4, 3.2 to 20175 (ppm) of CO and 9.1 to 33034 (ppm) of NO. As Fibras Ópticas Anti-Ressonantes de Núcleo Oco são um novo tipo de fibra de núcleo oco com baixo índice de refração no núcleo e alto índice de refração na casca. Diferente das fibras ópticas de núcleo sólido, onde o confinamento da luz acontece pela reflexão interna total, nas fibras ópticas de núcleo oco este confinamento pode ser explicado pelos mecanismos de bandgap fotônicos e pela teoria dos modos vazados. Nesse sentido, esse trabalho descreve as simulações deste tipo de fibra óptica utilizando o método dos elementos finitos visando sua aplicação em sensoriamento óptico. Simulações numéricas foram realizadas usando o software COMSOL Multiphysics para estudar as suas características de propagação. Análises relacionadas à simulação foram realizadas, tais como as condições de contorno, tamanho dos elementos de malha adequados para serem usados e métodos para reduzir o esforço computacional. Além disso, este trabalho demonstra o potencial de aplicação das fibras ópticas anti-ressonantes de núcleo oco como sensores eficientes para detecção simultânea de três gases: metano (CH4), monóxido de carbono (CO) e monóxido de nitrogênio (NO). Duas fibras foram projetadas, uma feita de óxido de silício (SiO2) e outra composta por trifluoreto de índio (InF3), para demonstrar o impacto do material da fibra no desempenho em uma ampla faixa de comprimento de onda. Para possibilitar a entrada de gás no núcleo da fibra, foi considerada nas simulações a inserção de pequenos furos perpendiculares ao comprimento da fibra. Os resultados de simulação mostram que as fibras projetadas apresentam baixas perdas nos comprimentos de onda das raias de absorção dos três gases. O maior valor de atenuação obtido nas simulações foi de 5,76dB/m para a fibra de SiO2 e de 0,06dB/m para a fibra de InF3, para λ = 5262,95nm. Além disso, foi obtido nas simulações um comportamento linear da atenuação em função da concentração de gás para os três gases de interesse nas duas fibras projetadas. A sensibilidade obtida pelo sensor utilizando uma fibra de InF3 com comprimento de 10 metros foi de 3,8x10^-2 (mV/ppm), 31x10^-2 (mV/ppm) e 11x10^-2 (mV/ppm) para os gases CH4, CO e NO, respectivamente. Para o sensor utilizando uma fibra de SiO2 com comprimento de 5 metros a sensibilidade estimada neste trabalho foi de 1,9x10^-2 (mV/ppm), 15x10^-2 (mV/ppm) e 5,5x10^-2 (mV/ppm) para os gases CH4, CO e NO, respectivamente. Em termos de limites de detecção, a fibra constituída de material InF3 é capaz de detectar concentrações de 13,2 até 87117 (ppm) de CH4, 1,6 até 10587 (ppm) de CO e 4,5 até 29649 (ppm) de NO. Já os limites de detecção para a fibra constituída de SiO2 foram de 26.5 até 165798 (ppm) de CH4, 3,2 até 20410 (ppm) de CO e 9,1 até 33672 (ppm) de NO.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais Este trabalho apresenta uma nova técnica de fabricação de redes de período longo com descargas de arco elétrico tendo em vista o desenvolvimento de dispositivos com perda dependente da polarização reduzida. A perda dependente da polarização elevada é uma característica das redes produzidas por arco elétrico, que resulta em limitações no uso desses dispositivos em aplicações de sensoriamento e comunicações ópticas. A técnica proposta baseia-se na rotação axial da fibra óptica após cada descarga de arco elétrico, de modo que a perturbação assimétrica transversal induzida gire ao longo do eixo da fibra. Dessa forma, procura-se promediar a contribuição da não homogeneidade no índice de refração induzida pontualmente ao longo do comprimento da rede e assim, reduzir os efeitos indesejáveis da perda dependente da polarização. A fabricação de redes de período longo utilizando a técnica de arco elétrico foi descrita, o comportamento da perda dependente da polarização das redes produzidas foi investigado e os resultados experimentais mostram que é possível reduzir substancialmente a perda dependente da polarização nesses dispositivos utilizando a técnica de fabricação proposta. Por fim, é apresentado uma aplicação prática de uma rede produzida com a técnica proposta para o sensoriamento de torção mecânica. Os resultados mostram que é possível fabricar um sensor com sensibilidade à torção linear de 0,197 nm/(rad/m), que é superior ao das redes produzidas normalmente por arco elétrico. This work presents the fabrication of arc-induced long period fiber gratings with reduced polarization-dependent loss. An important characteristic of arc-induced gratings is their intrinsic high polarization-dependent loss, which limits their use in sensing and optical communications applications. The proposed technique is based on the axial rotation of the optical fiber after each electric arc discharge. The induced transverse asymmetric perturbation rotates along fiber axis. Therefore, it is possible to average the contribution of transverse inhomogeneity of the refractive index induced along the fiber grating length and reduce the undesirable effects of polarizationdependent loss. The fabrication technique was described, the polarization-dependent loss behavior of the produced gratings was investigated. The experimental results show that it is possible to substantially reduce the intrinsic polarization-dependent loss of these gratings. Finally, we investigated the torsion-dependent spectral response of a long period grating. The results show that it is possible to achieve an enhanced linear torsion sensitivity of 0.197 nm/(rad/m), which is higher than that of conventional arcinduced long period gratings.

Programa de Doctorado en Biotecnología, Ingeniería y Tecnología Química, Línea de Investigación: Tecnología Química y de Materiales, Clave Programa: DBI, Código Línea: 112, Over the last two decades, materials chemistry has developed a new class of coordination compounds, constructed by the coordination of ions or clusters of ions and organic ligand whose most interesting characteristic is their vast and permanent porosity and components tuneability. These compounds are called metal-organic frameworks (MOFs) and have attracted the scientific community's attention for their use in different research fields, i.e. gas separation and storage, catalysis, drug delivery, or chemical sensing. More specifically, for this last application, MOFs with luminescent properties are used as optical sensors. Based on this, this thesis studies the development of MOF films using different polymers as a matrix for detecting gaseous analytes. More specifically, Chapter 1 offers a historical context of MOFs and their development over the years, and some definitions are given to understand this thesis's frame of reference. Chapter 2 brings a theoretical background of the techniques used during the research as well as the principles and models of chemical fluorescent sensing. Next, Chapter 3 describes all experimental conditions along with materials or chemicals used during this thesis. Then, The subsequent chapters will describe the fabrication of different mixed-matrix membranes using cellulose acetate (Chapter 4), poly(methyl methacrylate) (Chapter 5 and Chapter 6) and poly(dimethylsiloxane) (Chapter 6 and Chapter 7) and their use as an effective optical sensor. Finally, the thesis will conclude with general conclusions obtained during the research in Chapter 8., Universidad Pablo de Olavide de Sevilla. Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales

Programa de Doctorado en Biotecnología, Ingeniería y Tecnología Química, Línea de Investigación: Tecnología Química y de Materiales, Clave Programa: DBI, Código Línea: 112, En esta memoria se han estudiado distintos tipos de materiales con potencial para el desarrollo de sensores ópticos de gases tóxicos que han sido soportados sobre películas porosas para su posterior verificación como sensores de gases. Además, se han establecido distintos procedimientos de calibración para la cuantificación de los analitos estudiados. El Capítulo 1 o Introducción se ha dividido en tres grandes bloques. En primer lugar, se ha elaborado una introducción general sobre la importancia y repercusión que tienen los distintos gases contaminantes. Seguidamente se han expuesto algunos de los métodos analíticos desarrollados para la detección de gases tóxicos. En el apartado tres, se describen las distintas moléculas sensoras que se han usado en el desarrollo de los sensores descritos en esta tesis, así como la razón que ha motivado su selección como candidatas para su uso como parte del sensor en soporte sólido. En el Capítulo 2 o Experimental, se detallan y especifican las características de los materiales utilizados, así como el montaje experimental y la metodología empleados para la caracterización del proceso sensor. Se exponen los detalles técnicos de los equipos y de los reactivos usados. Además de la información que se encuentra en este capítulo, estos datos se complementan en cada uno de los apartados correspondientes de los capítulos de resultados. Los capítulos que se resumen a continuación contienen los resultados obtenidos durante la consecución de esta tesis. En el Capítulo 3, se han usado películas finas nanocristalinas de TiO2 creadas mediante screen printing como matriz para el reactivo de Harrison. Esta película ha sido empleada como sensor óptico de fosgeno gaseoso. Se ha demostrado la capacidad sensora de esta película frente a diferentes concentraciones del analito estudiado, estableciendo, además, un calibrado que permite la cuantificación de fosgeno, tanto en muestras comerciales de este compuesto como en muestras generadas a partir de la descomposición de cloroformo. La capacidad sensora del sistema no se ve mermada por ninguno de los potenciales interferentes que pudieran afectar a la detección de fosgeno, por lo que se puede concluir en que el sensor tiene una excelente selectividad frente al analito estudiado. Además, se ha estudiado la capacidad de incorporar este sensor a un dispositivo portátil que se pueda ser usado de sonda para la detección de compuestos de interés ambiental o industrial. En el Capítulo 4, se ha estudiado la capacidad sensora del (bis(7-nitrobenzo[c][1,2,5]oxadiazol-4-yl)sulfano, (NBD)2S, depositado sobre una tira de papel de cromatografía Whatman, frente a H2S gaseoso. El (NBD)2S ha sido sintetizado a partir de su precursor NBD-Cl mejorando el método propuesto por Montoya y col. La exposición al H2S gaseoso se realizó usando la técnica passive sampling o exposición pasiva en la que el sensor se encuentra dentro de una cubeta de volumen conocido y dentro de la misma cubeta se genera el gas a la vez que se monitoriza el cambio que este gas provoca en la alguna propiedad de la muestra. Se estudiaron numerosos interferentes observando que el sensor es selectivo al H2S, sin que ninguno de los posibles interferentes que se puedan encontrar en la detección de H2S le afecte de manera significativa. Se ha establecido un calibrado para un rango de concentraciones que va desde las ppb a las ppm mediante el que, para una muestra problema, se puede determinar la cantidad de H2S presente y/o el tiempo que se tardaría en detectar una muestra con una concentración determinada. Estos límites de cuantificación y detección se encuentran muy por debajo de los límites establecidos como potencialmente peligrosos y también muy por debajo que los límites de detección de algunos dispositivos ópticos comerciales. Además, se ha establecido un calibrado que permite usar las coordenadas del espacio de color Lab extraídas de imágenes de smartphone para la cuantificación del H2S, lo que amplía la versatilidad del sistema diseñado. En el Capítulo 5, se ha desarrollado un sensor de triperóxido de triacetona (TATP) a partir de la incorporación de una clorina, sintetizada por el grupo de Ana M. G. Silva en la Universidad de Oporto en películas de TiO2 creadas mediante screen printing. El anclaje de esta clorina ha sido verificado mediante espectroscopía infrarroja (IR) y la pureza del TATP mediante ESI-MS. Esta clorina tiene un rendimiento cuántico de fluorescencia muy elevado, lo que la hace muy buena candidata para su uso como sonda fluorescente. Se ha probado la capacidad sensora de esta molécula al TATP de manera directa, estableciendo tiempos de respuesta muy cortos a concentraciones muy bajas de este compuesto en estado gaseoso, lo que supone un avance notable a la hora de su detección, puesto que en la mayoría de los casos se reportan detecciones indirectas del TATP a través de los productos de su descomposición. Además, se han realizado pruebas con sus principales interferentes viendo que, incluso a concentraciones relativas altas, estos no causan interferencia en su detección. De esta forma podemos afirmar que el sensor desarrollado es un método muy fiable, selectivo y rápido para la detección de este potente explosivo. En el Capítulo 6, se describe la síntesis y caracterización de dos nuevos ligandos fluorescentes, preparados mediante la combinación de la estructura base de una rosamina a la que se le une un receptor de isoftalato utilizando enlaces de amina y amida (Rosamina-aip1 y aip2). Posteriormente se observó la diferencia espectral, tanto en el espectro UV-Vis como en el espectro de fluorescencia, que existe entre estas dos moléculas. Esta caracterización se llevó a cabo tanto en disolución como en películas sólidas nanocristalinas de TiO2, preparadas mediante la técnica de screen printing. Estas películas fueron estudiadas para maximizar su capacidad sensora, evitando, entre otros, los efectos de agregación. Se determinó la capacidad de la Rosamina-aip2 para ser usada como sonda de fluorescencia, mostrando una menor agregación y una mayor capacidad de emisión que la Rosamina-aip1. Posteriormente se realizarán estudios de sensing con posibles analitos que puedan causar en la molécula algún tipo de variación espectral, bien sea en el espectro UV-Vis o en el espectro de fluorescencia. De esta forma se podrá desarrollar un sensor óptico a partir de la Rosamina-aip2., Universidad Pablo de Olavide de Sevilla. Departamento de Sistemas Físicos, Químicos y Naturales

Não recebi financiamento The growing demand for optical detection platforms that are reliable, yet easy to use and compact, which require low sample consumption and provide high sensitivity and real-time monitoring, have brought about considerable innovations in the design of optical sensors in recent years. Among them, the waveguides that use the detection scheme based on intensity stand out. These devices have been objects of great scientific interest, as they provide high sensitivity and simplicity in the detection scheme. With the advancement of nanofabrication techniques, the development of optical sensors based on waveguide nanostructures has represented an excellent way to integrate them into platforms known as a lab-on-a-chip. In this context, a refractive index sensor based on the intensity detection is proposed and numerically simulated. The proposed sensor is composed of a structure with a tapered waveguide of silicon nitride on a glass substrate, integrated with a sensing window. The tapered waveguide design aims to expand the interaction area of the evanescent field with the analyte, increasing the device sensitivity. In order to verify the sensor performance and provide a high fidelity numerical simulation, a 3D semi-vectorial beam propagation method is employed. Both bulk and surface maximum sensitivity was computed and the values 1701 %/RIU and 1.74 %/nm were obtained, respectively. The results suggest that the proposed sensor can detect a significant change on the refractive index and the layer thickness of a protein on aqueous solutions. Finally, the present investigation proposes an optical device that is compact, structurally simple and provides high performance for biochemical analysis. A crescente demanda por plataformas de detecção óptica que sejam confiáveis e ao mesmo tempo fáceis de usar e compactas, que requerem baixo consumo de amostra e forneçam alta sensibilidade e monitoramento em tempo real, proporcionaram inovações consideráveis no projeto de sensores ópticos nos últimos anos. Dentre todos eles, destacam-se os guias de onda que utilizam o esquema de detecção baseado em intensidade, estes dispositivos têm sido objeto de grande interesse científico, pois fornecem alta sensibilidade e simplicidade no esquema de detecção. Com o avanço das técnicas de nanofabricação, o desenvolvimento de sensores ópticos baseados em nanoestruturas de guias de onda tem representado uma excelente forma de integrá-los as plataformas conhecidas como laboratório em um chip (\textit{lab-on-a-chip}). Nesse contexto, um sensor com índice de refração baseado em detecção de intensidade de guia de onda é proposto e analisado numericamente. Basicamente, o sensor é composto por uma estrutura com um guia de onda estrangulado de Si3N4 sobre um substrato de SiO2 e integrado com uma janela de detecção. O design do guia de onda estrangulado tem como objetivo ampliar área de interação do campo evanescente, com o intuito de aumentar a sensibilidade do dispositivo. A fim de verificar o desempenho do sensor e fornecer uma simulação numérica de alta fidelidade, o método de propagação de feixe semi-vetorial 3D é utilizado. A máxima sensibilidade homogênea e de superfície calculadas foram 1701 %/RIU e 1.74 %/nm. Os resultados sugerem que o sensor proposto pode detectar uma mudança significativa no índice de refração e na espessura da camada de uma proteína em soluções aquosas. Adicionalmente, a presente investigação propõe um dispositivo óptico compacto, estruturalmente simples e de alto desempenho para análise bioquímica.

[ES] La fotónica de silicio es una tecnología emergente clave en redes de comunicación e interconexiones de centros de datos de nueva generación, entre otros. Su éxito se basa en la utilización de plataformas compatibles con la tecnología CMOS para la integración de circuitos ópticos en dispositivos pequeños para una producción a gran escala a bajo coste. Dentro de este campo, los interferómetros integrados juegan un papel crucial en el desarrollo de diversas aplicaciones fotónicas en un chip como sensores biológicos, moduladores electro-ópticos, conmutadores totalmente ópticos, circuitos programables o sistemas LiDAR, entre otros. Sin embargo, es bien sabido que la interferometría óptica suele requerir caminos de interacción muy largos, lo que dificulta su integración en espacios muy compactos. Para mitigar algunas de estas limitaciones de tamaño, surgieron varios enfoques, incluyendo materiales sofisticados o estructuras más complejas, que, en principio, redujeron el área de diseño pero a expensas de aumentar los pasos del proceso de fabricación y el coste. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar soluciones generales al problema de tamaño típico de los interferómetros ópticos integrados, con el fin de permitir la integración densa de dispositivos basados en silicio. Para ello, aunamos los beneficios tanto de las guías de onda bimodales como de las estructuras periódicas, en términos de la mejora del rendimiento y la posibilidad para diseñar interferómetros monocanal en áreas muy reducidas. Más específicamente, investigamos los efectos dispersivos que aparecen en estructuras menores a la longitud de onda y en las de cristal fotónico, para su implementación en diferentes configuraciones interferométricas bimodales. Además, demostramos varias aplicaciones potenciales como sensores, moduladores y conmutadores en tamaños ultra compactos de unas pocas micras cuadradas. En general, esta tesis propone un nuevo concepto de interferómetro integrado que aborda los requisitos de tamaño de la fotónica actual y abre nuevas vías para futuros dispositivos basados en funcionamiento bimodal., [CA] La fotònica de silici és una tecnologia emergent clau en xarxes de comunicació i interconnexions de centres de dades de nova generació, entre altres. El seu èxit es basa en la utilització de plataformes compatibles amb la tecnologia CMOS per a la integració de circuits òptics en dispositius diminuts per a una producció a gran escala a baix cost. Dins d'aquest camp, els interferòmetres integrats juguen un paper crucial en el desenvolupament de diverses aplicacions fotòniques en un xip com a sensors biològics, moduladors electro-òptics, commutadors totalment òptics, circuits programables o sistemes LiDAR, entre altres. No obstant això, és ben sabut que la interferometría òptica sol requerir camins d'interacció molt llargs, la qual cosa dificulta la seua integració en espais molt compactes. Per a mitigar algunes d'aquestes limitacions de grandària, van sorgir diversos enfocaments, incloent materials sofisticats o estructures més complexes, que, en principi, van reduir l'àrea de disseny però a costa d'augmentar els processos de fabricació i el cost. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar solucions generals al problema de grandària típica dels interferòmetres òptics integrats, amb la finalitat de permetre la integració densa de dispositius basats en silici. Per a això, combinem els beneficis tant de les guies d'ones bimodals com de les estructures periòdiques, en termes de funcionament d'alt rendiment per a dissenyar interferòmetres monocanal compactes en àrees molt reduïdes. Més específicament, investiguem els efectes dispersius que apareixen en estructures menors a la longitud d'ona i en les de cristall fotònic, per a la seua implementació en diferents configuracions interferomètriques bimodals. A més, vam demostrar diverses aplicacions potencials com a sensors, moduladors i commutadors en grandàries ultres compactes d'unes poques micres cuadrades. En general, aquesta tesi proposa un nou concepte d'interferòmetre integrat que aborda els requisits de grandària de la fotònica actual i obri noves vies per a futurs dispositius basats en funcionament bimodal., [EN] Silicon photonics is a key emerging technology in next-generation communication networks and data centers interconnects, among others. Its success relies on the ability of using CMOS-compatible platforms for the integration of optical circuits into small devices for a large-scale production at low-cost. Within this field, integrated interferometers play a crucial role in the development of several on-chip photonic applications such as biological sensors, electro-optic modulators, all-optical switches, programmable circuits or LiDAR systems, among others. However, it is well known that optical interferometry usually requires very long interaction paths, which hinders its integration in highly compact footprints. To mitigate some of these size limitations, several approaches emerged including sophisticated materials or more complex structures, which, in principle, reduced the design area but at the expense of increasing fabrication process steps and cost. This thesis aims at providing general solutions to the long-standing size problem typical of optical integrated interferometers, in order to enable the densely integration of silicon-based devices. To this end, we combine the benefits from both bimodal waveguides and periodic structures, in terms of high-performance operation and compactness to design single-channel interferometers in very reduced areas. More specifically, we investigate the dispersive effects that arise from subwavelength grating and photonic crystal structures for their implementation in different bimodal interferometric configurations. Furthermore, we demonstrate various potential applications such as sensors, modulators and switches in ultra-compact footprints of a few square microns. In general, this thesis proposes a new concept of integrated interferometer that addresses the size requirements of current photonics and open up new avenues for future bimodal-operation-based devices., Financial support is also gratefully acknowledged through postdoctoral FPI grants from Universitat Politècnica de València (PAID-01-18). European Commission through the Horizon 2020 Programme (PHC-634013 PHOCNOSIS project). The authors acknowledge funding from the Generalitat Valenciana through the AVANTI/2019/123, ACIF/2019/009 and PPC/2020/037 grants and from the European Union through the operational program of the European Regional Development Fund (FEDER) of the Valencia Regional Government 2014–2020.

[ES] La actividad humana ha acelerado enormemente los flujos de nutrientes hacia los estuarios y otros ecosistemas marinos costeros, la necesidad de evaluar los impactos en los ecosistemas tiene importancia para el medio ambiente sino también para la salud humana. Unas de las consecuencias de las altas concentraciones del aporte de nutrientes en los ecosistemas costeros o en estuarios es el decrecimiento del oxígeno disponible en el agua o en el sedimento. Los sensores de parámetros fisicoquímicos juegan un papel fundamental en la evaluación de la salud ambiental, en este caso el sensor de oxígeno disuelto en agua se puede utilizar para cuantificar el indicador de contaminación. El objetivo de este trabajo es realizar estudios que proponen un prototipo de sensor de medición de oxígeno en agua. El sensor óptico comprende un sistema que utiliza LED y receptores de señales que cuantifican la concentración de moléculas de oxígeno disueltas en la muestra. Los experimentos se llevarán a cabo para descubrir el rango espectral de detección de oxígeno disuelto en agua, para la calibración del prototipo y al final para adaptación del sistema para utilizar en inmersiones de investigaciones con buceo científico., [EN] Human activity has greatly accelerated nutrient flows to estuaries and other coastal marine ecosystems, the need to assess impacts on ecosystems is important for the environment but also for human health. One of the consequences of high concentrations of nutrient input in coastal ecosystems or in estuaries is the decrease in available oxygen in water or sediment. The physicochemical parameter sensors play a fundamental role in the evaluation of environmental health, in this case the oxygen dissolved in water sensor can be used to quantify the contamination indicator. The objective of this work is to carry out studies that propose a prototype sensor for measuring oxygen in water. The optical sensor comprises a system that uses LEDs and signal receivers that quantify the concentration of dissolved oxygen molecules in the sample. The experiments will be carried out to discover the spectral range of detection of dissolved oxygen in water, for the calibration of the prototype and finally for adaptation of the system for use in research dives with scientific diving., Fundación Carolina

Innovative methods have been developed in the state-of-the-art technologies based on robust spectral-spatial sensors for modern seed industry. In this study we proposed a novel approach based on multispectral imaging combined with machine learning algorithm to classify Jatropha curcas seed health. Furthermore, we present for the first time a methodology based on magnetic resonance imaging (MRI) to identify anatomical changes in J. curcas seeds infected with different pathogenic fungi. First, seeds were artificially inoculated with Lasiodiplodia theobromae, Colletotrichum siamense and Colletotrichum truncatum, and multispectral images were acquired after 24, 48, 72, 96, 120, 144 and 168 h of incubation. The MRI method was applied using incubated seeds for 168 h. Our results showed that the multispectral imaging technique combined with statistical models has the potential to distinguish different fungal species in J. curcas seeds after 48 h of incubation, with high accuracy (>80 %). The proposed MRI methodology allowed the identification of different damage patterns in the endosperm tissues infected with L. theobromae, C. siamense and C. truncatum. Therefore, multispectral imaging and MRI can be useful tools for rapid and accurate detection of different fungal species in J. curcas seeds.

ilustraciones, gráficas, tablas Esta investigación presenta un análisis sobre las deformaciones obtenidas en un macizo rocoso debido a la construcción del proyecto Conexión Vial Túnel Aburrá Oriente (Túnel de Oriente), que comunica el aeropuerto internacional José María Córdova con la ciudad de Medellín. El estudio se centra en dos túneles paralelos que se excavaron empleando el método convencional de perforación y voladura (drilling and blasting). Para realizar esta investigación, se analizaron las deformaciones presentadas en el macizo rocoso utilizando estaciones de convergencia en diferentes secciones de ambos túneles. También, se instalaron y se monitorearon sensores ópticos FBG (Fiber Bragg Grating) con el fin de evaluar la aplicabilidad de los sensores de fibra óptica para la medición de los desplazamientos de la roca alrededor de la excavación. Adicionalmente, se realizaron ensayos de resistencia a la compresión inconfinada en muestras cilíndricas de roca no meteorizada extraídas directamente de los sondeos exploratorios del proyecto para determinar las propiedades geomecánicas de la roca intacta. Los resultados obtenidos se presentan en gráficas de desplazamiento versus tiempo para determinar el comportamiento del macizo rocoso durante la construcción y se analiza la influencia que tiene una excavación sobre la otra debido a la proximidad de los túneles. Finalmente, se realiza una simulación de la excavación, por medio del software de elementos finitos RS2 (Rock and Soil 2). La simulación es alimentada con la geometría de los túneles y la secuencia de excavación. Se determinan algunos parámetros geomecánicos del macizo rocoso con los resultados de resistencia a la compresión inconfinada y las clasificaciones geomecánicas (RQD, RMR y Q) y se utilizan diferentes valores de la relación de esfuerzos K para ajustar los resultados de la simulación hasta obtener los valores medidos con las estaciones de convergencia. (Texto tomado de la fuente) This research presents an analysis of the rock mass deformations due to the excavations of two parallel tunnels connecting JMC International airport and Medellin city. This study focuses on two parallel tunnels that are excavated using the conventional drilling and blasting method. In order to carry out this investigation, the rock mass deformations were analyzed using convergence stations in different sections of both tunnels. Also, optical sensors FBG (Fiber Bragg Grating) were installed to evaluate the applicability of fiber optic sensors on displacement measurement around the excavation. Additionally, unconfined compressive strength tests were performed on cylindrical samples of non-weathered rock extracted directly from the project to determine the intact rock geomechanical properties. The results obtained are presented in graphics of displacement versus time to determine the rock mass behavior during construction and the influence of one excavation on the second due to the proximity of both. Finally, the simulation of the excavation is carried out, using the RS2 finite element software (Rock and Soil 2). The simulation has the geometry and the excavation sequence as input data. Some geomechanical parameters of the rock mass are determined with the unconfined compressive strength results and the geomechanical classifications (RQD, RMR and Q) and different values of the stress ratio K are used to adjust the simulation results until obtaining the values measured with convergence stations. Maestría Magíster en Ingeniería - Geotecnia Mecánicas de rocas y túneles Área Curricular de Ingeniería Civil

S'ha demostrat que les propietats òptiques de l'alúmina nanoporosa depenen intrínsecament de la seva arquitectura, el que fa possible modular la seva índex de refracció per fabricar materials avançats amb propietats òptiques úniques com les estructures fotòniques. Aquesta tesi té com a objectiu principal, la fabricació d'estructures fotòniques basades en Alúmina nanoporosa. Les estructures Fotonicas van ser fabricades amb alúmina nanoporosa (NAA-PSS) mitjançant l'anodització d'alumini amb diferents perfils de anodització (sinusoïdal i gaussià) així com la fabricació de microcavitats òptiques. Es van estudiar les seves propietats òptiques i la seva influència quan la mida de porus és més gran. Un cop fabricades i caracteritzades, les NAA-PSS van ser avaluades com a plataformes per desenvolupar sensors òptics mitjançant la tècnica d'espectroscòpia interferomètrica reflectant (rifs). Les estructures van ser analitzades utilitzant diferents concentracions de glucosa, solucions d'alcohols i clorur de sodi. Es van provar amb diferents mides de porus així com amb diferents tipus d'estructures modificant els paràmetres de fabricació. Amb els resultats obtinguts en aquesta tesi doctoral, es va demostrar que les estructures Fotonicas basada en alúmina nanoporosa tenen la capacitat de ser usades com una plataforma amb potencial per desenvolupar sensors òptics. Se ha demostrado que las propiedades ópticas de la alúmina nanoporosa dependen intrínsecamente de su arquitectura, lo que hace posible modular su indice de refracción para fabricar materiales avanzados con propiedades ópticas únicas como las estructuras fotónicas. Esta tesis tiene como objetivo principal, la fabricación de estructuras fotónicas basadas en Alúmina Nanoporosa. Las estructuras fotonicas fueron fabricadas con alúmina nanoporosa (NAA-PSs) mediante la anodización de aluminio con diferentes perfiles de anodización (sinusoidal y gaussiano) así como la fabricación de microcavidades ópticas. Se estudiaron sus propiedades ópticas y su influencia cuando el tamaño de poro es mayor. Una vez fabricadas y caracterizadas, las NAA-PSs fueron evaluadas como plataformas para desarrollar sensores ópticos mediante la técnica de espectroscopia interferométrica reflectante (RIfs). Las estructuras fueron analizadas usando diferentes concentraciones de glucosa, soluciones de alcoholes y cloruro de sodio. Se probaron con diferentes tamaños de poro así como con diferentes tipos de estructuras modificando los parámetros de fabricación. Con los resultados obtenidos en esta tesis doctoral, se demostró que las estructuras fotonicas basada en alúmina nanoporosa tienen la capacidad de ser usadas como una plataforma con potencial para desarrollar sensores ópticos. The optical properties of nanoporous alumina have been shown to be intrinsically dependent upon its architecture, making it possible to modulate its refractive index to fabricate advanced materials with unique optical properties such as photonic structures. This thesis has as its main objective, the manufacture of photonic structures based on Nanoporous Alumina. The photonic structures were fabricated with nanoporous alumina (NAA-PSs) by anodizing aluminum with different anodizing profiles (sinusoidal and Gaussian) as well as the fabrication of optical microcavities. Its optical properties and its influence when the pore size is larger were studied. Once manufactured and characterized, the NAA-PSs were evaluated as platforms to develop optical sensors using the reflective interferometric spectroscopy (RIfs) technique. The structures were analyzed using different concentrations of D-glucose, alcohol solutions and sodium chloride. They were tested with different pore sizes as well as with different types of structures by modifying the fabrication parameters. With the obtained results in this doctoral thesis, iwas demonstrated that photonic structures based on nanoporous alumina have the ability to be used as a potential platform to develop optical sensors.

Los materiales de base cementícea son los materiales artificiales más usados. El conocimiento de la evolución temporal de sus características y propiedades es de gran interés debido a que éstas influyen en el desempeño de las estructuras que conforman. Desde ese punto de vista, el monitoreo de los cambios en determinados parámetros relacionados con su durabilidad puede beneficiar la toma de decisiones orientada a la prevención de situaciones que potencialmente afecten el cumplimiento de los requerimientos de funcionalidad (rigidez), seguridad (resistencia) y estética (aspecto superficial) para los cuales las estructuras fueron diseñadas. La detección de la presencia y/o del cambio en la concentración de agentes químicos específicos pueden ser empleados para acusar la gestación o propagación de fenómenos que atenten contra la vida útil de la estructura. En este trabajo se analiza la aplicación de una técnica óptica basada en el empleo de redes de período largo en fibra óptica para el monitoreo de la presencia y/o del nivel de concentración de agentes químicos nocivos internos al material. Se presentan los resultados preliminares correspondientes al desarrollo de un sensor de humedad que será empleado en la determinación de humedad interna de estructuras civiles., Cement based materials are the most widely artificial materials. The knowledge of the evolution in time of their characteristics and properties is of great interest because they influence the performance of the structures they conform. From this point of view, monitoring changes in certain parameters related to durability can benefit decision-making aimed at preventing situations that potentially affect requirements compliance related to service (stiffness), safety (resistance) and aesthetics (surface appearance) for which the structures were designed at project stage. The detection of the presence and / or changes in concentration of specific chemicals can be used to identify the incubation or propagation of phenomena that threaten the service life of the structure. This paper analyzes the application of an optical technique based on the use of long period fiber gratings for monitoring the presence and / or concentration levels of harmful chemicals inside the material. Preliminary results corresponding to the development of a humidity sensor that will be used in the determination of internal humidity of civil structures are presented., Centro de Investigaciones Ópticas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES Sensores baseados na ressonância de plasmons superficie (SPR) são dispositivos comumente utilizados para detectar interações moleculares, tais interações são classificadas por meio da computação das características da curva SPR. A instrumentação utilizada nos sensores SPR exige condições específicas para acoplamento de componentes óptico-eletrônicos, mecânicos e fluídicos para a correta excitação dos plasmons de superfície. Ruídos inerentes a essa instrumentação e do uso do sensor refletem-se na curva SPR, afetando a qualidade das características extraídas. Através do processamento inteligente de dados, objetiva-se eliminar os principais ruídos generalistas inerentes ao processo de análise com o uso de sensores SPR. Para isso, um filtro-inteligente baseado em redes neurais artificiais multicamadas foi projetado. Denominado de Neural Net SPR Filter (NNSF), o filtro foi acoplado a sensores SPR operando nos modos de interrogação espectral (WIM) e angular (AIM). Para ampliar a capacidade de aplicação do filtro implementou-se uma máquina de comitê que atua na redução da variância, sendo uma alternativa para sistema com elevado nível de ruído. O NNSF, aproximou a resposta experimental à resposta teórica com erro médio quadrático na ordem de 105 e índices de correlação de modelo testado acima de 90%, drenando a maior parte dos ruídos presentes durante os experimentos. Com o uso do NNSF registrou-se melhor desempenho para o monitoramento da Largura, Energia, Fase, Assimetria e Posição de ressonância (ângulo e comprimento de onda mínimos) das curvas SPR. O filtro contorna ruídos devido a aspectos como rugosidade na camada de filme metálico, imprecisão de ângulo e/ou comprimento de onda da luz incidente, além de remover oscilações eletromagnéticas de amplitude e fase, devido a ausência de controle na temperatura e corrente da fonte luminosa e do ambiente experimental. Desse modo, o NNSF demonstra-se uma alternativa menos onerosa, evitando a substituição ou incorporação de novos componentes Surface plasmon resonance (SPR) sensor devices are conventionally used for molecular interaction detection from features extracted from the SPR curve, which represents the resonance position and reflects the quality of the provided response. The instruments used in the SPR sensors require very specific coupling conditions for optical-electronic, mechanical, and fluidic components in order to have the correct excitation of surface plasmons obtained. Inherent noise from the sensor and in these instruments is reflected on the SPR curve and has an impact on the quality of the extracted features. Smart data processing is used to eliminate the main general noise inherent to the analysis process of the SPR sensors. A multilayer artificial neural networkbased smart filter (NNSF) was designed for this purpose and coupled to SPR sensors running in spectral/wavelength interrogation (WIM) and angular interrogation (AIM) modes. To increase the filter’s application capacity, a committee machine was implemented to reduce variance, being an alternative for a system with a high level of noise. NNSF correlated the experimental and theoretical responses, with a mean square error of 105 and tested model correlation indeces over 90%, consequently draining most of the noise throughout the experiments. The use of NNSF led to better Width, Energy, Phase, Asymmetry, and Position (minimum wavelength and angle) resonance monitoring performance of the SPR curves. Filter noise bypassing occurs due to the following aspects: metallic film layer roughness and imprecise incident light angle and/or wavelength. The filter also eliminates amplitude and phase electromagnetic oscillations caused by defective temperature, luminous source current, and experimental environment control. For this reason, NNSF has been a less onerous alternative, avoiding the replacement or incorporation of new components

This paper presents a low cost and highly reliable system for angle measurement based on a sensor fusion between inertial and fiber optic sensors. The system consists of the sensor fusion through Kalman filter of two inertial measurement units (IMUs) and an intensity variation-based polymer optical fiber (POF) curvature sensor. In addition, the IMU was applied as a reference for a compensation technique of POF curvature sensor hysteresis. The proposed system was applied on the knee angle measurement of a lower limb exoskeleton in flexion/extension cycles and in gait analysis. Results show the accuracy of the system, where the Root Mean Square Error (RMSE) between the POF-IMU sensor system and the encoder was below 4° in the worst case and about 1° in the best case. Then, the POF-IMU sensor system was evaluated as a wearable sensor for knee joint angle assessment without the exoskeleton, where its suitability for this purpose was demonstrated. The results obtained in this paper pave the way for future applications of sensor fusion between electronic and fiber optic sensors in movement analysis.

EnglishVis-NIR-SWIR reflectance spectra of leaf samples, collected in the laboratory, allow the calibration of predictive models to quantify their physicochemical attributes in a practical manner and without producing chemical residues. This technique should enable the development of management strategies for intensification of pasture use. However, spectral analysis performed in the laboratory may be affected by the deterioration of plant material during transport from the field to the lab, so storage methods are necessary. This research aimed to evaluate the effects of different storage methods on the spectral response of Mombasa grass leaves. Three methods were evaluated: (i) artificially refrigerated environment, (ii) humid environment, and (iii) without microenvironment control. These methods were tested in five different storage times: 2 hours, 4 hours, 8 hours, 24 hours and 48 hours. The spectral behavior of the leaves still inserted in the plant was used as a quality reference. Results showed notable changes at the earliest storage time for the treatment without microenvironment control. Both methods with microenvironment control stabilized the occurrence of spectral changes over 48 hours of the samples storage, thus both were suggested for this species. portuguesEspectros de reflectância vis-NIR-SWIR de amostras foliares, coletados em laboratorio, permitem a calibracao de modelos preditivos para quantificacao de seus atributos fisico-quimicos de maneira pratica e sem producao de residuos quimicos. Esta tecnica permite o desenvolvimento de estrategias de manejo para a intensificacao do uso de pastagens. Contudo, analises espectrais realizadas em laboratorio podem ser afetadas pela deterioracao do material vegetal durante o transporte do campo ao laboratorio, fazendo-se necessario a utilizacao de metodos de armazenamento. O presente trabalho objetivou avaliar o efeito de diferentes metodos de armazenamento na resposta espectral de folhas de capim Mombaca. Avaliou-se tres metodos: (i) ambiente refrigerado artificialmente; (ii) ambiente umido; e (iii) ao ar livre, sem controle do microambiente; assim como, cinco diferentes tempos de armazenamento: 2 horas, 4 horas, 8 horas, 24 horas e 48 horas. O comportamento espectral das folhas ainda inseridas na planta foi utilizado como referencia de qualidade. Os resultados mostraram alteracoes pronunciadas para o armazenamento ao ar livre ja nos primeiros intervalos de tempo. Ambos metodos com controle de microambiente permitiram estabilizar a ocorrencia de alteracoes espectrais ao longo das 48h de armazenamento das amostras, sendo ambos sugeridos para esta especie

Con un alto nivel de integración de tecnologías, en este proyecto se genera conocimiento cientifico-técnico en sensores de fibra óptica, su multiplexación e interrogación remota, con miras a la incorporación de tecnologías modernas en el país. Para ello, se trabajó con la tecnología de sensores basados en rejillas de Bragg (FBG) que, además de estar incorporadas en la fibra (son micro-sensores térmicos y de deformación), se pueden interrogar mediante la técnica de división de longitud de onda. Colombia no puede ser ajena a esta tendencia del mundo globalizado de migrar hacia sistemas distribuidos en donde cada elemento del sistema se conecta a una estación maestra mediante un canal de comunicación. En este contexto, la importancia de la fibra óptica es incuestionable, pues, además de su reconocida capacidad en sistemas de comunicaciones, desde hace más de dos décadas, diversas propuestas de sensores de fibra óptica se encuentran en condiciones de competir con los sensores convencionales. Los sensores de fibras suponen a menudo la única alternativa eficiente para nuevas aplicaciones, además de poder ofrecer ventajas específicas en relación a las soluciones más tradicionales. Los subsistemas fotónicos abordados con miras a su integración tecnológica fueron: 1) Fuentes de luz láser multilínea; 2) sensores de fibra óptica y su opto-electrónica asociada; 3) multiplexación e interrogación remota de sensores ópticos.

[ES] Los sensores ópticos son dispositivos fotónicos sensibles a determinadas magnitudes que se usan precisamente para medir, ya sea de forma absoluta o relativa, esas magnitudes. Medir la temperatura, la presión, la tensión, la humedad o la presencia de un determinado gas son algunas de las funcionalidades que llevan a cabo estos sensores. A lo largo de las últimas décadas multitud de sensores y técnicas de interrogación han sido desarrolladas, lo que ha tenido un increíble impacto en multitud de áreas. Uno de los ejemplos más claro es la arquitectura civil, donde los sensores fotónicos juegan un papel fundamental en la monitorización del estado de las estructuras. A pesar de los buenos resultados conseguidos por los sensores ópticos hasta la fecha, las técnicas de interrogación desarrolladas hasta ahora muestran algunas desventajas. Tiempos de medida altos, baja resolución o una gran complejidad son algunas de ellas. En esta tesis doctoral se presenta el diseño y caracterización de diversos sensores fotónicos basados en las ya conocidas redes de difracción de Bragg así como la implementación de nuevas técnicas de interrogación de dichos sensores para intentar eliminar o reducir esas desventajas. Las técnicas de interrogación desarrolladas en este trabajo se basan en la fotónica de microondas, donde la interacción entre las señales ópticas y eléctricas se usa para detectar en este caso los cambios en una determinada magnitud. Las técnicas desarrolladas en este trabajo buscan ser lo más versátiles y escalables posibles para así poder adaptarse a los requerimientos de diferentes escenarios. Encontramos así técnicas que permiten interrogar a miles de sensores con una gran resolución y sensibilidad así como también técnicas de interrogación de sensores puntuales con una enorme sensibilidad y simplicidad tanto en la interrogación como en el sistema usado para ello. También están presentes los resultados obtenidos mediante la colaboración con el instituto de investigación sueco ACREO para el desarrollo de un sensor de campo eléctrico basado en fibras polarizadas donde se han fabricado varias redes de difracción de Bragg., [CA] Els sensors òptics son dispositius fotònics sensibles a determinades magnituds que s'usen precisament per a mesurar, ja siga de forma absoluta o relativa, aquestes magnituds. Mesurar la temperatura, la pressió, la tensió, la humitat o la presència d'un determinat gas són algunes de les funcionalitats que realitzen aquestos sensors. Al llarg de les últimes dècades multitud de sensors i tècniques d'interrogació han sigut desenvolupades, i això ha tingut un impacte increïble a multitud d'àrees. Un dels exemples més clar es l'arquitectura civil, on aquestos sensors juguen un paper fonamental en la monitoratge de l'estat de les estructures. Encara que els resultats aconseguits han sigut bons, les tècniques d'interrogació desenvolupades fins ara mostren alguns desavantatges. Temps de mesurament alt, baixa resolució o una gran complexitat són algun d'ells. A aquesta tesi doctoral es presenta el disseny i caracterització de diversos sensors fotònics basats en les ja conegudes xarxes de difracció de Bragg així com l'implementació de noves tècniques d'interrogació per a intentar eliminar o reduir aquestos inconvenients. Les tècniques d'interrogació desenvolupades en aquest treball es basen en la fotònica de microones, on l'interacció entre les senyals òptiques i elèctriques s'usa per a detectar en aquest cas els canvis en una determinada magnitud. Les tècniques desenvolupades en aquest treball busquen ser el més versàtils i escalables possibles per a poder adaptar-se als requeriments dels diferents escenaris. Trobem així tècniques que permeten interrogar milers de sensors amb una gran resolució i sensitivitat però també tècniques que permeten interrogar sensors puntuals amb una increïble sensitivitat mostrant una gran simplicitat en el seu disseny. També estan presents els resultats obtinguts mitjançant la col¿laboració amb l'institut d'investigació suec ACREO per al desenvolupament d'un sensor de camp eléctric basat en FBGs i en fibres polaritzades., [EN] Optical sensors are photonic devices sensitive to different magnitudes that are used precisely to measure, in an absolute or a relative way, these magnitudes. These optical sensors are nowadays used to measure temperature, pressure, strain, humidity or the presence of a particular gas. In the past few decades a multitude of photonic sensors and different interrogation techniques have been developed, which had a great impact in dozens of different fields. One of the best examples is civil architecture, in which photonic sensors play a fundamental role in order to monitor the condition of the structures. Despite of the good results showed by photonic sensors, the interrogation techniques used show different drawbacks. A large measurement time, low resolution or great complexity are some of them. In this doctoral thesis the design and characterization of a set of different photonic sensors based on the already known fiber Bragg gratings, along with the implementation of new interrogation techniques, are used in order to eliminate or at least reduce these problems. The interrogation techniques developed in this work are based on Microwave Photonics techniques, in which the interaction between optical and electrical signals is used to detect in this case the changes in a particular magnitude. The techniques showed in this work have been designed in order to be as versatile and scalable as possible to have the opportunity to adapt to any requirement in different scenarios. In this work techniques that are able to interrogate hundreds or even thousands of sensors with great sensitivity and resolution can be found in addition to techniques that are developed to interrogate individual sensors with an enormous sensitivity. The work carried out in collaboration with the Swedish research institute ACREO, based on the development of an electric field sensor based on poled fibers together with FBGs is also present.

Submitted by Moreno Barros (moreno@ct.ufrj.br) on 2020-10-25T01:54:49Z No. of bitstreams: 1 ReinaldoMerendazDaRochaJunior.pdf: 4645427 bytes, checksum: 811513845acc758d613f90da3dea6964 (MD5) Made available in DSpace on 2020-10-25T01:54:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ReinaldoMerendazDaRochaJunior.pdf: 4645427 bytes, checksum: 811513845acc758d613f90da3dea6964 (MD5) Previous issue date: 2019-04 Este trabalho apresenta um estudo sobre as vantagens e o desempenho de sensores de deformação, baseado em redes de Bragg, quando aplicado em sensores utilizados na indústria do petróleo. Entre os benefícios da utilização dos sensores FBG’s (Fiber Bragg Gratings), os que mais chamam a atenção são a alta sensibilidade, a baixa atenuação de sinal em instrumentos de medição localizados a longas distâncias e a imunidade à interferências eletromagnéticas. Nesta dissertação foi estudado o comportamento dos adesivos pré-selecionados para serem utilizados no sensor de pressão e temperatura (P&T) desenvolvido. Amostras foram instrumentadas com as redes de Bragg e ensaiadas na máquina de ensaios mecânicos do Laboratório de Tecnologia Submarina (COPPE/UFRJ). Os resultados obtidos foram utilizados como parâmetros na realização das análises numéricas da membrana do sensor P&T, baseadas em elementos finitos, utilizando o software comercial ABAQUS. Dentre os adesivos estudados, o que apresentou melhores resultados foi definido através dos ensaios cíclicos, além de definir a tensão máxima a ser atingida pela membrana do sensor através dos ensaios de tração. Este estudo teve como objetivo otimizar o dimensionamento do sensor, definindo a geometria que a membrana deve assumir, para que o mesmo possa trabalhar com segurança, sem que ocorram deformações plásticas do material e/ou problemas na instrumentação das redes de Bragg. In this work, a study on the advantages and performance of Fiber Bragg Gratings (FBGs), when applied to sensors used in the petroleum industry. Among the benefits of using FBG’s, the most attractive are high sensitivity, low signal loss in distant instrumentations and immunity to electromagnetic interference. In this dissertation the behavior of the preselected adhesives to be used in the pressure and temperature sensor (P&T) was studied. Samples were instrumented with the FBGs and tested in a mechanical testing machine. The results were used as parameters in the numerical and experimental analysis of the P&T sensor membrane, based on finite elements using commercial ABAQUS software. Among the adhesives studied, the one that presented the best results was defined through the cyclic tests, the maximum tension of the sensor membrane was defined by the tensile tests. This study define de best geometry that the membrane must assume, so that it can work safely, without causing plastic deformations of the material or problems in the instrumentation of the FBG.

Se estudiaron membranas de materiales porosos nanoestructurados usadas como matriz en nanocompuestos. Los dos materiales utilizados como matriz fueron alúmina anódica porosa nanoestructurada (AAPN) y silicio poroso bajo las formas de silicio mesoporoso (SP) o macroporoso (SMP). Se montó una nueva línea de fabricación de AAPN en el laboratorio de Física de Semiconductores del IFIS-Litoral. Este laboratorio ya contaba con una amplia experiencia en producción y caracterización de silicio poroso nanoestructurado. Partiendo de un sustrato de aluminio de alta pureza fue posible obtener membranas de AAPN con un alto grado de ordenamiento. Los parámetros estructurales de las membranas de AAPN, como el diámetro de los poros, la distancia entre poros, así como el tamaño de los dominios de poros ordenados, entre otros, se caracterizaron a través de imágenes obtenidas por microscopia de fuerza atómica y electrónica de barrido. Mediante difractometría de rayos X se determinó que la matriz de alúmina que conforma la membrana es amorfa.Mediante un tratamiento del sustrato de aluminio sobre el que crece la alúmina porosa, previo al anodizado, se ha logrado aumentar el tamaño de los granos cristalinos del aluminio hasta 5 mm o más. Se observó que el espesor físico de la alúmina porosa fabricada a partir de este aluminio pretratado está definido por la orientación cristalina del grano subyacente del sustrato sobre el que crece. De esta manera se delimitan zonas en la alúmina porosa, con dimensiones típicas del orden de los milímetros, cuyas propiedades ópticas fueron estudiadas. Se estudió y caracterizó la anisotropía óptica, es decir, la birrefringencia que presenta este material en las distintas zonas. Se encontró una correlación entre la orientación cristalina del sustrato, determinada mediante difracción de electrones retrodispersados, y la anisotropía óptica de la membrana de alúmina resultante. A partir de películas de AAPN que conservan su sustrato de aluminio se fabricaron nanocompuestos introduciendo níquel dentro de los poros por una técnica de electrodeposición pulsada, y posteriormente removiendo el sustrato de aluminio. Estos nanocompuestos permitieron realizar estudios del comportamiento de la matriz de alúmina y de los nanohilos de Ni. En particular -y aprovechando la alineación que adoptan los nanohilos en el nanocompuesto- se estudió la anisotropía de las propiedades magnéticas y su variación con la temperatura. Por otro lado se realizaron experimentos de difracción de rayos X sobre los nanohilos embebidos en alúmina, que permitieron encontrar un comportamiento anómalo del coeficiente de expansión térmica del nanocompuesto que concuerda con los resultados del estudio magnético. En base a estos resultados se encontró que el coeficiente de expansión térmica de la matriz de alúmina es negativo en el rango de temperaturas estudiado. De los experimentos con DRX y los estudios magnéticos se concluye que existen efectos magnetoelásticos asociados a la variación de la temperatura del nanocompuesto.Se diseñaron y fabricaron microcavidades ópticas híbridas a partir de membranas de AAPN y cristales fotónicos unidimensionales de silicio mesoporoso. Estos dispositivos sirven como plataforma para sensores químicos o biosensores basados en propiedades fotónicas, con gran sensibilidad en el rango de las bajas longitudes de onda. Para producir los cristales fotónicos unidimensionales mencionados se diseñaron y fabricaron reflectores de Bragg distribuidos mediante el anodizado de silicio cristalino en una solución que contiene flúor y un surfactante, empleando una densidad de corriente periódica ajustada para producir capas con porosidades y espesores físicos diferentes, pero con el mismo espesor óptico.De esta manera se buscó rescatar las mejores características de cada material nanoestructurado, aprovechando el bajo coeficiente de absorción de la AANP y mayor contraste en los índices de refracción obtenibles con SP, de manera de lograr obtener cavidades con espesores físicos del orden de decenas de micrómetros con baja absorción en el espectro visible, proporcionando un alto factor de calidad Q y transmitancia relativamente alta. Esto permitiría una mayor versatilidad de respuesta en presencia de un analito específico.Se preparó otro tipo de microcompuesto mediante el llenado de poros de silicio macroporoso con lípidos. A diferencia del SP, cuyos poros adoptan una forma dendrítica, el SMP presenta poros cilíndricos perpendiculares a la superficie de gran relación de aspecto y diámetro uniforme. El llenado de poros del SMP con lípidos se realizó -previa funcionalización de las paredes de los poros para tornarlas hidrofílicas- introduciendo una solución de liposomas unilamelares de DMPC (Dimiristoil fosfatidilcolina) conteniendo el marcador de espín 5-SASL, seguido de incubación. Mediante espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica (EPR) se estudió el comportamiento de los lípidos mediante el ajuste de la forma de línea para campo magnético paralelo y perpendicular a los poros, verificando que una parte importante de los lípidos se organizan en bicapas lipídicas cilíndricas sobre las paredes de los poros. Este sistema puede ser considerado como una plataforma para el estudio, tanto por EPR como por métodos ópticos, de transiciones de fase termotrópicas de los lípidos en un entorno confinado. Fil: Forzani, Luisina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Física del Litoral. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Física del Litoral; Argentina

Esta tesis investiga la aplicación de conceptos de codificación al diseño de sensores ópticos basados en redes de difracción de Bragg de Bragg (FBG). Específicamente, se presenta el diseño, la caracterización y la validación experimental de dispositivos de detección codificados personalizados que se pueden diseñar y fabricar como dispositivos FBG súper estructurados (SSFBG). El objetivo de esta tesis es mejorar la capacidad y el rendimiento general de los sistemas de detección óptica basados en sensores FBG convencionales. Para ello, se han propuesto tres metodologías de codificación de dispositivos de detección SSFBG, con el objetivo de dotar a cada sensor con información adicional útil para la identificación de cada sensor incluso en condiciones de superposición. Un sensor codificado basado en FBGs es una estructura FBG cuya forma se ha adaptado a una palabra-código ortogonal, de tal manera que su longitud de onda central se puede distinguir inequívocamente de otras señales en el espectro. El diseño de los sensores SSFBG codificados se realiza modificando el espectro de reflexión de dispositivos FBG multibanda, esto se logra traduciendo las palabras-código ortogonales en los términos de amplitud y fase de los sensores FBG. La codificación en amplitud de los sensores SSFBG consiste en traducir las palabras-código \textit{"Optical Orthogonal Codewords"} (OOC), desarrolladas para sistemas de comunicaciones de acceso múltiple por división de código óptico (OCDMA), en el patrón de reflexión de los dispositivos. La codificación en amplitud y fase se ha propuesto mediante dos enfoques diferentes: en el primero, palabras-código de amplitud y fase personalizadas ($ a_ {k} $, $ f_ {k} $) fueron diseñadas específicamente para exhibir un comportamiento ortogonal obtenido por la combinación de dos palabras-código. La técnica de interrogación basada en una fuente dual sintonizable fue específicamente diseñada para recuperar la medición diferencial de los sensores y decodificar efectivamente su información. El segundo enfoque utiliza las secuencias \textit{"Discrete Prolate Spheroidal Sequences"} (DPSS), que son secuencias mutuamente ortogonales desarrolladas para sistemas de comunicaciones. Se demostró el uso de estas estructuras como elementos de detección ortogonales con patrones específicos de fase y amplitud. La fabricación y validación experimental de los dispositivos SSFBG propuestos se realizaron para demostrar el rendimiento de los sensores inclusive en condiciones de superposición espectral. La longitud de onda central de los sensores se recupera con éxito en las tres metodologías, además, el error del sistema de detección se caracterizó en términos de los parámetros de diseño., Esta tesi investiga l'aplicació de conceptes de codificació al disseny de sensors òptics basats en xarxes de difracció de Bragg de Bragg (FBG) . Específicament, es presenta el disseny, la caracterització i la validació experimental de dispositius de detecció codificats personalitzats que es poden dissenyar i fabricar com a dispositius FBG súper estructurats (SSFBG) . L'objectiu d'esta tesi és millorar la capacitat i el rendiment general dels sistemes de detecció òptica basats en sensors FBG convencionals. Per a això, s'han proposat tres metodologies de codificació de dispositius de detecció SSFBG, amb l'objectiu de dotar a cada sensor amb informació addicional útil per a la identificació de cada sensor inclús en condicions de superposició. Un sensor codificat basat en FBGs és una estructura FBG la forma de la qual s'ha adaptat a una paraula-codi ortogonal, de tal manera que la seua longitud d'ona central es pot distingir inequívocament d'altres senyals en l'espectre. El disseny dels sensors SSFBG codificats es realitza modificant l'espectre de reflexió de dispositius FBG multibanda, açò s'aconseguix traduint les paraules-codi ortogonals en els termes d'amplitud i fase dels sensors FBG. La codificació en amplitud dels sensors SSFBG consistix a traduir les paraules-codi extit \textit{"Optical Orthogonal Codewords"} (OOC) , desenrotllades per a sistemes de comunicacions d'accés múltiple per divisió de codi òptic (OCDMA) , en el patró de reflexió dels dispositius. La codificació en amplitud i phase s'ha proposat per mitjà de dos enfocaments diferents: en el primer, paraules-codi d'amplitud i fase personalitzades ($ a_ {k} $, $ f_ {k} $) van ser dissenyades específicament per a exhibir un comportament ortogonal obtingut per la combinació de dos paraules-codi. La tècnica d'interrogació basada en una font dual sintonizable va ser específicament dissenyada per a recuperar el mesurament diferencial dels sensors i descodificar efectivament la seua informació. El segon enfocament utilitza les seqüències \textit{"Discrete Prolate Spheroidal Sequences"} (DPSS), que són seqüències mútuament ortogonals desenrotllades per a sistemes de comunicacions. Es va demostrar l'ús d'estes estructures com a elements de detecció ortogonals amb patrons específics de fase i amplitud. La fabricació i la validació experimental dels dispositius SSFBG proposats es van realitzar per a demostrar el rendiment dels sensors inclusivament en condicions de superposició espectral. La longitud d'ona central dels sensors es recupera amb èxit en les tres metodologies, a més, l'error del sistema de detecció es va caracteritzar en termes dels paràmetres de disseny., This thesis investigates the application of encoding concepts to the design of optical sensors based on fiber Bragg grating (FBG) devices. Specifically, we present the design, characterization and experimental validation of custom encoded sensing devices that can be designed and manufactured as super-structured FBG (SSFBG) devices. The aim of this thesis is to enhance the capacity and the overall performance of the optical sensing systems based on conventional FBG sensors. To do so, three encoding methodologies of SSFBG sensing devices have been proposed, aiming to endow each sensor with additional information useful to identify each sensor even under overlapping conditions. An encoded FBG-based sensor is a FBG structure whose shape has been tailored after an orthogonal codeword in such a way that their central wavelength can be distinguished unequivocally from other signals in the spectrum. The design of encoded SSFBG sensors is performed by modifying the reflection spectrum of multi-band FBG devices, this is achieved by translating orthogonal codewords into the amplitude and phase terms of the FBG sensors. Amplitude encoding of SSFBG sensors consists in translating the binary optical orthogonal codewords (OOCs), developed for optical-code division multiple-access (OCDMA) communications systems, into the reflection pattern of the devices. Amplitude $\&$ phase encoding has been proposed in two different approaches: in the first one, custom amplitude and phase codewords ($a_{k}$, $f_{k}$) were specifically devised to exhibit orthogonal behavior by combining the two codewords. The dual-wavelength tunable interrogation technique was also specifically designed to retrieve the differential measurement of the sensors and effectively decode their information. The second approach uses the discrete prolate spheroidal sequences (DPSS), which are mutually orthogonal sequences developed for communications systems. We demonstrated the use of this structures as orthogonal sensing elements with definite phase and amplitude patterns. The manufacturing and experimental validation of the proposed SSFBG devices were carried out to prove the overlap-proof performance of the devices. The central wavelength of the sensors is successfully retrieved in the three methodologies, additionally, the error of the sensing system was characterized in terms of the design parameters.

Artificial intelligence is an area that tries to equip the machines with intelligence and among the topics developed are expert systems, fuzzy logic, planning systems, search algorithms, evolutionary computation, artificial neural networks among others. The topics of artificial intelligence used in this article are artificial vision and artificial neural networks; also uses the microbot or mobile robot Mindstorms NXT, which has a limited capacity in the processing, as well as in the storage of information. The limitation of the mobile robot is because it does not have a powerful computer on board to process artificial vision algorithms and artificial neural networks; so an external computer is used to perform its control through bluetooth technology. The processing of artificial vision algorithms and artificial neural networks is done on the external computer and the actions performed by the mobile robot are sent to it, through bluetooth communication. The article considers that there is autonomy in a mobile robot, when it performs its actions without human intervention and the indicators selected to measure this autonomy are the autonomous localization of the patterns to be recognized and the autonomous recognition or classification of these patterns. The implementation of the autonomous localization of the patterns to be recognized uses optical sensors, ultrasonic sensors and the C # programming language; as well as the autonomous recognition of patterns uses a wireless camera located in the mobile robot, artificial vision algorithms, artificial neural networks and the visual basic .NET programming language. The results show that the average of the indicator percentage of patterns correctly located in the environment by the Mindstorms NXT mobile robot is 37.81% when artificial intelligence is not used and it is 97.18% when artificial intelligence is used. In addition, the average of the indicator percentage of patterns correctly recognized in the environment by the Mindstorms NXT mobile robot is 46.25% when artificial intelligence is not used and is 96.87% when using artificial intelligence. La inteligencia artificial es un área que intenta dotar de inteligencia a las máquinas y entre los tópicos que desarrolla están los sistemas expertos, la lógica difusa, los sistemas de planificación, los algoritmos de búsqueda, la computación evolutiva, redes neuronales artificiales entre otros. Los tópicos de la inteligencia artificial que utiliza este artículo son la visión artificial y las redes neuronales artificiales; además utiliza el microbot o robot móvil Mindstorms NXT, que tiene una capacidad limitada en el procesamiento, así como en el almacenamiento de información. La limitación del robot móvil se da porque no tiene a bordo un computador potente para procesar los algoritmos de visión artificial y de las redes neuronales artificiales; por lo que se utiliza un computador externo para realizar su control a través de la tecnología bluetooth. El procesamiento de los algoritmos de visión artificial y de redes neuronales artificiales se realiza en el computador externo y las acciones que ejecuta el robot móvil son enviadas a este, a través de la comunicación bluetooth. El artículo considera que existe autonomía en un robot móvil, cuando este realiza sus acciones sin intervención humana y los indicadores seleccionados para medir esta autonomía son la localización autónoma de los patrones a reconocer y el reconocimiento autónomo o clasificación de estos patrones. La implementación de la localización autónoma de los patrones a reconocer utiliza sensores ópticos, sensores ultrasónicos y el lenguaje de programación C#; así como el reconocimiento autónomo de patrones utiliza una cámara inalámbrica ubicada en el robot móvil, algoritmos de visión artificial, redes neuronales artificiales y el lenguaje de programación visual basic .NET. Los resultados muestran que el promedio del indicador porcentaje de patrones localizados en forma correcta en el entorno por el robot móvil Mindstorms NXT es de 37.81% cuando no se usa la inteligencia artificial y es de 97.18% cuando se usa la inteligencia artificial. Además, el promedio del indicador porcentaje de patrones reconocidos en forma correcta en el entorno por el robot móvil Mindstorms NXT es de 46.25% cuando no se usa la inteligencia artificial y es de 96.87% cuando se usa la inteligencia artificial.

In this work we will review the enormous potential of subwavelength grating waveguides for sensing applications in the near and mid-infrared bands, demonstrating the capability to engineer the mode profile to maximize the light-matter interaction., Optical Sensors, 2019, San Jose, California, USA

The use of optical sensors to identify the nutritional needs of agricultural crops has been the subject of several studies using precision agriculture techniques. In this work, we sought to overcome the lack of research evaluating the use of these techniques in the management of nitrogen (N) fertilizer in pastures. We evaluated the methodology of the nitrogen sufficiency index (NSI) in N management at variable rates (VR) using a portable chlorophyll meter. In addition, the use of color vegetation indices generated from a digital camera was evaluated as a low-cost alternative. The work was conducted in four management cycles at different times of year, evaluating the productivity and quality of Brachiaria brizantha cv. Xaraés grass. Three NSIs (0.85, 0.90 and 0.95) were evaluated, applying complementary doses of N according to the response of monitored plots using a chlorophyll meter and comparing the productivity and leaf N content of these treatments to the reference treatment (TREF), which received a single dose of N (150 kg ha-1). Together with these treatments, plots without N application (control) were analyzed, totaling five treatments with six replications in a completely randomized design. The dry mass productivity and N leaf concentration of the VR treatments were statistically equal to TREF in all management cycles (P < 0.05). Most color vegetation indices correlated significantly (P < 0.05) to the chlorophyll readings. The use of NSI methodology in pastures allows the same productivity gains, with significant input savings. In addition, the use of digital cameras presents itself as a viable alternative to monitoring the N status in pastures.

[ES] Este trabajo final de grado tiene como objetivo encontrar ajustes de parámetros con los que se puedan lograr resultados óptimos de segmentación. Por esta razón, se recomiendan diferentes ajustes de parámetros para cada clase (infraestructura, área urbana y vegetación). El segundo objetivo es la comparación y validación de diferentes productos de software. En base a esto, se identifican los parámetros correspondientes al software respectivo. El resultado permite comparar la funcionalidad de la segmentación con los datos ópticos relacionados con datos de radar. De esta manera también averiguamos para qué clase y para que datos funciona mejor la segmentación., [EN] This final grade work aims to find parameter settings with which optimal segmentation settings can be achieved. For this reason, different parameter settings are recommended for each class (infrastructure, urban area and vegetation). The second objective is the comparison and validation of different software products. Based on this, the parameters corresponding to the respective software are identified. The result makes it possible to compare the functionality of the segmentation with the optical data related to radar data. In this way we can also find out for which class and for which data the segmentation works best.

En este artículo se reportan los resultados obtenidos en la fabricación local de una estructura óptica conocida como red de período largo, en una fibra óptica estándar empleada para telecomunicaciones. Dicha red se logró mediante el empleo de una técnica en la que se genera una sucesión periódica de reducciones en el diámetro de la fibra (microtapers) mediante el ataque con un arco eléctrico de características controladas. A la estructura óptica mencionada se la conoce como LPG (por su sigla en inglés) y puede ser empleada como elemento de transducción en sistemas de sensado de diversas magnitudes fisicoquímicas. El proceso de fabricación se realizó mediante un arreglo experimental recientemente implementado en el CIOp. Las LPG generadas constituyen uno de los elementos básicos en el estudio y desarrollo de técnicas ópticas aplicables en la caracterización de materiales cementíceos, en el contexto de un proyecto de trabajo conjunto entre el LEMIT y el CIOp. Se reportan las características que describen el comportamiento óptico de las LPG generadas y se las compara con dispositivos comerciales de igual naturaleza fabricados en el exterior., This article reports the results obtained in the local manufacture of an optical structure known as a long period grating, in a standard optical fiber used for telecommunications. It was achieved through the use of a technique in which a periodic sequence of reductions in fiber diameter (μ-tapers) is generated by means of the attack with an electric arc of controlled characteristics. Mentioned optical structure is known as LPG and can be used as a transduction element in sensing systems of various physicochemical magnitudes. The manufacturing process was carried out through an experimental arrangement that was recently implemented at CIOp. The manufactured LPGs constitute one of the basic elements in the study and development of optical techniques applicable in the characterization of cement-based materials in the context of a joint work project between LEMIT and CIOp. In the present work, characteristics describing the optical behavior of the generated LPGs are reported and they are compared with commercial devices of the same nature manufactured abroad., Centro de Investigaciones Ópticas

En el desarrollo diario del ámbito de la ingeniería, se ven implícitos los trabajos topográficos, estos se pueden realizar mediante el uso de diferentes métodos, equipos y software de acuerdo cada requerimiento. El uso de sensores ópticos, LiDAR o RADAR a bordo drones o aeronaves remotamente tripuladas (RPAS) cada día es más frecuente para las áreas de consultoría, interventoría, construcción, etc., se ha demostrado con estudios, métodos y modelos matemáticos que los resultados obtenidos con este tipo de tecnologías son precisos en comparación con trabajos realizados de manera convencional. La diferencia relevante en comparación con la captura de datos con equipos de la manera convencional y con sensores a bordo de drones es el tiempo de captura de información en campo, el cual es más eficiente si se trabaja con el último. El siguiente documento describe los procedimientos realizados en campo y en oficina para generar un orto mosaico del campus de la Universidad Militar Nueva Granada ubicado en el municipio de Cajicá mediante el uso de un sensor óptico a bordo de una aeronave remotamente tripulada o drone. In the daily development of the field of engineering, the topographic works are explained; they can be done by using different methods, equipment and software according to each requirement. The use of optical sensors, radio and aeronautical radio or remotely piloted aircraft (RPAS) every day is more frequent in the areas of consulting, auditing, construction, etc. the works carried out in a conventional manner. The relevant difference in the comparison with the data capture with the equipment in the conventional way and with the sensors on board drones is the time of the capture of the information in the field, which is more efficient than working with the last. The following document describes the procedures performed in the field and in the office to generate a mosaic of the campus of the Nueva Granada Military University located in the municipality of Cajicá through the use of an optical sensor on board a remotely piloted aircraft or drone.

This thesis investigates the application of encoding concepts to the design of optical sensors based on fiber Bragg grating (FBG) devices. Specially, we present the design, charaterization and experimental validation of custom encoded sensing devices that can be designed and manufactured as super-structured FBG (SSFBG) devices. The aim of this thesis is to enhance the capacity and the overall performance of the optical sensing systems based on conventional FBG sensors. To do so, three encoding methodologies of SSFBG sensing devices have been proposed, aiming to endow each sensor with additional information useful to identify each sensor even under overlapping conditions. An encoded FBG-based sensor is a FBG structure whose shape has been tailored after an orthogonal codeword in such a way that their central wavelength can be distinguished unequivocally from other signals in the spectrum. The design of encoded SSFBG sensors is performed by modifying the reflection spectrum of multi-band FBG devices, this is achieved by translating orthogonal codewords into the amplitude and phase terms of the FBG sensors. Amplitude encoding of SSFBG sensors consists in translating the binary optical orthogonal codewords (OOCs), developed for optical-code division multiple-a ess (OCDMA) communications systems, into the reflection pattern of the devices. Amplitude and phase encoding has been proposed in two diferent approaches: in the first one, custom amplitude and phase codewords (ak, fk) were specifically devised to exhibit orthogonal behavior by combining the two codewords. The dual-wavelength tunable interrogation technique was also specifically designed to retrieve the differential measurement of the sensors and effectively decode their information. The second approach uses the discrete prolate spheroidal sequences (DPSS), which are mutually orthogonal sequences developed for communications systems. We demonstrated the use of this structures as orthogonal sensing elements with deffinite phase and amplitude patterns. The manufacturing and experimental validation of the proposed SSFBG devices were carried out to prove the overlap-proof performance of the devices. The central wavelength of the sensors is successfully retrieved in the three methodologies, additionally, the error of the sensing system was characterized in terms of the design parameters. Resumen: Esta tesis investiga la aplicación de conceptos de codificación al diseño de sensores ópticos basados en redes de difracción de Bragg de Bragg (FBG). Específicamente, se presenta el diseño, la caracterización y la validación experimental de dispositivos de detección codificados personalizados que se pueden diseñar y fabricar como dispositivos FBG súper estructurados (SSFBG). El objetivo de esta tesis es mejorar la capacidad y el rendimiento general de los sistemas de detección óptica basados en sensores FBG convencionales. Para ello, se han propuesto tres metodologías de codificación de dispositivos de detección SSFBG, con el objetivo de dotar a cada sensor con información adicional útil para la identificación de cada sensor incluso en condiciones de superposición. Un sensor codificado basado en FBGs es una estructura FBG cuya forma se ha adaptado a una palabra código ortogonal, de tal manera que su longitud de onda central se puede distinguir inequívocamente de otras señales en el espectro. El diseño de los sensores SSFBG codificados se realiza modicando el espectro de reflexión de dispositivos FBG multibanda, esto se logra traduciendo las palabras código ortogonales en los términos de amplitud y fase de los sensores FBG. La codificación en amplitud de los sensores SSFBG consiste en traducir las palabras código "Optical Orthogonal Codewords" (OOC), desarrolladas para sistemas de comunicaciones de acceso múltiple por división de código óptico (OCDMA), en el patrón de reflexión de los dispositivos. La codificación en amplitud y fase se ha propuesto mediante dos enfoques diferentes: en el primero, palabras código de amplitud y fase personalizadas (ak, fk) fueron diseñadas específicamente para exhibir un comportamiento ortogonal obtenido por la combinación de dos palabras código. La técnica de interrogación basada en una fuente dual sintonizable fue específicamente diseñada para recuperar la medición diferen ial de los sensores y decodificar efectivamente su información. El segundo enfoque utiliza las secuencias "Discrete Prolate Spheroidal Sequences" (DPSS), que son secuencias mutuamente ortogonales desarrolladas para sistemas de comunicaciones. Se demostró el uso de estas estructuras como elementos de detección ortogonales con patrones específicos de fase y amplitud. La fabricación y validación experimental de los dispositivos SSFBG propuestos se realizaron para demostrar el rendimiento de los sensores inclusive en condiciones de superposición espectral. La longitud de onda central de los sensores se recupera con éxito en las tres metodologías, además, el error del sistema de detección se caracterizó en términos de los parámetros de diseño. Doctorado

Esta tesis se ha estructurado en dos partes. Una parte, denominada introducción, que recoge información sobre las diferentes modalidades para el diseño de los sensores químicos y en particular de sentores ópticos, así como de la instrumentación empleada para su desarrollo. Asimismo, está incluida una introducción básica de los tipos de reacciones de polimerización empleados en la memoria, una descripción de las diferentes vías y técnicas para llevar a cabo el diseño y desarrollo de fases sensoras ópticas, así como la bibliografía empleada en la introducción. La segunda parte se denomina experimental y muestra la aplicación ejemplos de las fases sensoras ópticas descritas en la introducción para la resolución de diferentes problemas analíticos. Esta parte a su vez se divide en tres bloques y cada bloque está compuesto por uno o más capítulos (en total seis) donde se recogen los resultados experimentales obtenidos. Posteriormente, se describen las conclusiones generales de la parte experimental., Tesis Univ. Granada. Departamento de Química Analítica. Leida el 25 de mayo de 2012

En este trabajo se muestra la aplicación de sensores de fibra óptica tipo LPG a la determinación del esfuerzo transmitido y deformación de una muestra de suelo confinado sometido a cargas superficiales. El esfuerzo transmitido fue medido por un sensor de presión LPG mecánico y la curvatura del suelo por sensores LPG permanentes enterrados a profundidades de 0,1m; 0,2m; 0,4m y 0,6m. Suelo arcilla-arenoso característico de la UNICAMP fue depositado en un cilindro de 0,8m de longitud y 0,305 m de diámetro. El suelo fue ligeramente compactado en capas de 0,2m instalándose sobre cada capa un sensor LPG. Cargas superficiales de hasta 227 KPa fueron aplicadas sobre la superficie del suelo midiéndose deformaciones axiales del suelo menores a 3mm por nuestros sensores con sensibilidades del orden de 0,22 mm/dB. Los valores de los módulos de elasticidad para este tipo de suelo fueron determinados a partir del ajuste de las ecuaciones de Bousinessq con los valores medidos por los sensores LPG enterrados. Un módulo de Young de 5,39 MPa y un coeficiente de Poisson ν=0,52 fueron determinados para este tipo de suelo. This paper shows the application of LPG optical fiber sensors to the determination of the transmitted stress and deformation of a sample of confined soil subjected to surface loads. The transmitted stress was measured by a mechanical LPG pressure sensor and the curvature of the ground by permanent LPG sensors buried at depths of 0.1m; 0.2m; 0.4m and 0.6m. Clay-sandy soil characteristic of UNICAMP was deposited in a cylinder of 0.8m in length and 0.30m in diameter. The soil was lightly compacted in 0.2m layers and an LPG sensor was ¡nstalled on each layer. Surface loads of up to 227 KPa were applied to the surface of the soil, measuring axial soil deformations of less than 3mm by our sensors with sensitivities of the order of 0.22 mm/dB. The valúes of the modulus of elasticity for this type of soil were determined from the fitting of the Bousinessq equations with the valúes measured by the buried LPG sensors. A Young's modulus of 3.39 MPa and a Poisson's coefficient v = 0.32 were determined for this type of soil. Revisión por pares

Introduction: tooth decay has become one of the most prevalent diseases worldwide, but ironically it is one of the most neglected. Currently, adequate and effective caries treatment is based on early diagnosis and procedures such as sealants, crowns, and root canal treatment. Methods: This study examined the behavior of carious and non-carious areas of critical dental units (premolars and molars) subjecting them to a wavelength of 830 nm in adult humans who agreed to a dental exam and had at least one tooth affected by dental caries. Underage persons and patients in medical treatment were excluded. After finding a behavior that helped differentiate decayed tissue from healthy areas, the used experimental system was characterized and tested in volunteers. The implemented system contains a fiber optic sensor comprised of a trifurcated fiber and a photodetector to perform optical power measurements. Results: This sensor detected 100% of dental caries samples on premolar and molar occlusal surfaces. It also showed the ability to diagnose buccal cavities. Conclusions: The results showed that caries can be identified in dental units by means of a fiber optic sensor and infrared light at 830 nm. RESUMEN. Introducción: la caries se ha manifestado como una de las enfermedades con mayor prevalencia mundial, pero paradójicamente es una de las más desatendidas. En la actualidad, el tratamiento adecuado y eficaz contra la caries se basa en el diagnóstico temprano y en procedimientos como obturaciones, coronas y tratamiento de conductos. Métodos: esta investigación se centró en examinar el comportamiento de zonas cariadas y no cariadas de piezas dentales vitales (premolares y molares) al someterlas a una longitud de onda de 830 nm en seres humanos mayores de edad que aceptasen una revisión odontológica y que presentaran al menos un caso de caries dental. Fueron excluidos menores de edad y personas bajo tratamientos médicos. Tras encontrar un comportamiento que permitió diferenciar entre zonas cariadas y sanas, se caracterizó el sistema experimental usado y se probó en voluntarios. El sistema implementado se basa en un sensor de fibra óptica compuesto por una fibra trifurcada y un fotodetector para realizar mediciones de potencia óptica. Resultados: este sensor detectó el 100% de las muestras de caries dental en superficies oclusales de premolares y molares. Asimismo, exhibió indicios de la capacidad de diagnosticar caries vestibulares. Conclusiones: los resultados mostraron que se puede establecer la presencia de caries en piezas dentales mediante la implementación de un sensor de fibra óptica y luz infrarroja de 830 nm.

Desde hace ya varios años, los sensores de fibra óptica se han empleado en el sector aeroespacial, en grandes obras de ingeniería civil, en proyectos energéticos (petróleo, gas, energía eólica), transporte (automóviles, barcos, aviones, trenes), aplicaciones médicas y químicas, etc., dado que constituyen herramientas de monitorización fiables y precisas. La razón principal son sus ventajas predominantes tales como tamaño pequeño, en general poseen bajo costo, utilizan materiales abundantes en la naturaleza (el silicio, que es eléctricamente aislante) y poseen la propiedad de ser básicamente inmunes a la radiación electromagnética. En el desarrollo de esta tesis se diseñaron y aplicaron diferentes técnicas que incorporan sensores basados en fibra óptica al estudio de materiales compuestos y cementiceos. En particular se utilizaron dispositivos de tipo interferométrico debido a su alta sensibilidad y por su precisión sub-micrométrica. Por otro lado, la tecnología de fibra óptica permite desarrollar sensores poco invasivos que pueden embeberse en el material bajo estudio durante su elaboración, sin modificar sus propiedades. De esta manera, para caracterizar el proceso de curado y endurecimiento de materiales como los mencionados, se estudió su evolución dimensional mediante el empleo de sensores interferométricos tipo Fizeau y redes de Bragg grabadas en fibra óptica (FBG). Las resinas analizadas son de aplicación en odontología, por lo que resulta de sumo interés evaluar el grado de contracción del material durante el curado, ya que eso puede generar grietas que dan lugar a la formación de caries. En el caso de los materiales cementiceos, los avances realizados en el desarrollo de nuevas formulaciones mediante la introducción de diversos aditivos a las mezclas, han dado origen a líneas de investigación que requieren técnicas de caracterización cada vez más precisas y más sensibles. La monitorización de cambios de temperatura o del desarrollo de tensiones y grietas durante el proceso de curado de polímeros y el fraguado de mezclas a base de cemento Portland, tiene un interés tecnológico permanente. Además, el control de cargas distribuidas tiene interés en sí mismo y para detectar la aparición de grietas, su progresión y cualquier deterioro de las propiedades elásticas del material. Áreas como la aeronáutica, la obra civil y la medicina se beneficiarían con el desarrollo de herramientas de control fiables y precisas. Por ello se planteó una propuesta de detección de grietas presentando un modelo basado en el uso de redes de Bragg con chirp (CFBG) y un esquema experimental para su concreción. En este contexto, la presente Tesis de Doctorado se ha ordenado de la siguiente manera: En el Capítulo 1 Introducción a los Sensores de Fibra Óptica. Aplicación al estudio de materiales, se brinda un panorama de los sensores de fibra óptica, indicando sus características generales y algunas de sus aplicaciones actuales en diferentes áreas. Asimismo, se realiza una introducción sobre los materiales estudiados con las técnicas mencionadas. En el Capítulo 2 Redes de Bragg en fibra óptica, se presentaron los principios básicos que describen las características y funcionamiento de estos dispositivos. Inicialmente, se muestra una síntesis de los diferentes tipos de redes y luego se enfoca el análisis en la descripción de aquellas que se utilizaron en cada una de las aplicaciones desarrolladas en esta Tesis (redes de Bragg – FBG y redes de Bragg con chirp - CFBG). Partiendo desde la definición, se discute su principio de funcionamiento, modelado teórico, grabado en fibra óptica fotosensible y caracterización de las mismas. Además, se plantea la primera aplicación desarrollada en la Tesis un Sensor de Vibraciones utilizando un interferómetro de Fizeau y redes de Bragg, y se comparan los tipos de respuestas de estos dos sensores ópticos. En el Capítulo 3 Interferómetro Fizeau (IF) de fibra óptica, se describen las principales características y propiedades del dispositivo, y los esquemas de medida con detección temporal o espectral. En el Capítulo 4 Caracterización de cambios dimensionales de resinas fotocurables utilizando sensores de fibra óptica (FBG e IF), se comienza realizando una descripción de algunas características y propiedades de estos materiales (tipos de resina usados en odontología como material de obturación, su composición química, mecanismos de polimerización, entre otras cuestiones). A continuación, se describe el arreglo experimental utilizado para llevar a cabo el proceso de fotopolimerización, el monitoreo de la temperatura, las probetas de material empleadas y el montaje diseñado para posicionarlas a la hora de realizar las medidas. Posteriormente, se describen las técnicas y los esquemas de medida, basados en el interferómetro de Fizeau y en redes de Bragg, empleados para monitorizar el proceso de polimerización de resinas fotocurables comerciales (Filtek 60 y Z250 XT de 3M) y de otras resinas en etapa de desarrollo. Se compararon sus respuestas y el nivel final de contracción para cada caso. En el Capítulo 5 Caracterización de cambios dimensionales de pastas de cemento y mortero en estado fresco, se estudia el fraguado de estos materiales y se evalúan los niveles de contracción/expansión que experimentan desde el momento de preparación de la mezcla. Inicialmente se incluyen conceptos generales, definiciones específicas, parámetros, etc. Luego, se discuten los esquemas de medida empleados para monitorizar los cambios dimensionales, ya sea utilizando redes de Bragg en fibra o el Interferómetro de Fizeau. En el Capítulo 6 Aplicación de redes de Bragg con Chirp (CFBG) en la detección de cracks o fisuras, se modeló teóricamente una red de Bragg con chirp lineal utilizando el método de la Matriz de Transferencia, para luego aplicarlo en la detección de fisuras generadas en materiales. Se evaluaron tanto el espectro de reflexión como el retardo de grupo. Además, se implementó experimentalmente una situación equivalente a la fisura del material en cuestión. Este tema fue el objetivo de estudio y fue iniciado durante una estadía de seis meses (Septiembre – Marzo / 2016) en el Laboratorio de Fibras Ópticas del Departamento de Física Aplicada y Electromagnetismo de la Universidad de Valencia, España, dirigido por el Dr. Miguel V. Andrés. Finalmente, se presentan las Conclusiones y dirección futura de la investigación, con la que se dará continuidad a la tarea llevada a cabo hasta aquí., Tesis dirigida por los Dres. Ricardo Duchowicz y Nélida Russo., Facultad de Ingeniería

La medición de la calidad del aire es un tema de gran interés para cualquier país por motivos de salud y medioambientales. Este problema es más crítico en los países de bajos ingresos ya que la calidad del aire es generalmente peor que en los países desarrollados y los gobiernos dan menos presupuesto para liderar la investigación y la política ambiental. Esto explica la creciente demanda de sensores ópticos de polvo de bajo costo como el Shinyei PPD24NS durante los últimos años. Sin embargo, esos sensores presentan resultados mixtos en términos de precisión y repetibilidad, especialmente en el caso de nuevas aplicaciones como las de contexto móvil. Además, existe poca o confusa información sobre el funcionamiento y las condiciones de uso de esos sensores y el fabricante no proporciona ninguna guía completa. El presente artículo tiene como objetivo llenar este vacío, proporcionando un estudio real del funcionamiento del sensor interno. Esto incluye: un análisis detallado, teórico y práctico, del diagrama eléctrico, una caracterización del flujo de aire a través de la cámara óptica, un análisis del comportamiento de salida basado en la concentración de material particulado y una pauta de aspectos algorítmicos. El artículo finaliza proporcionando consejos y recomendaciones útiles, así como algunas pistas para mejorar su precisión para nuevas aplicaciones. Air quality measurement is a topic of a great interest for any country due to health and environmental reasons. Tis issue is more critical in low-incomes countries since the air quality is generally worse than in developed countries and the governments give fewer budget to lead environmental policy and research. This explains the increasing demand for low-cost dust optical sensors like the Shinyei PPD24NS during the last years. However, those sensors present mixed results in terms of precision and repeatability, especially in case of new applications like the ones in moving context. Moreover, few or confuse information exists on those sensors functioning and conditions of use and the manufacturer does not provide any comprehensive guideline. The present article aims at filling this gap, providing a real study of the internal sensor operating. This includes: a detailed, theoretical and practical, analysis of the electric diagram, a characterization of the airflow through the optical chamber, an output behavior analysis based on particulate matter concentration and some algorithmic issues guideline. The article ends by providing useful tips and recommendations as well as some tracks to improve its precision for new applications.