¿Cómo funcionan las sondas DO?

De hecho, existen muchos tipos de sondas para medir la concentración de oxígeno disuelto, pero se pueden agrupar en dos grandes clases:

  1. Sondas electroquímicas o galvánicas : estas sondas usan una membrana semipermeable que permite que el oxígeno pase a través de ella, pero no el agua y otros electrolitos. Una celda electroquímica está configurada en el otro lado donde se reduce el oxígeno, y la cinética de este proceso es tal que la difusión es el paso limitante de la velocidad de todo el proceso. Se pueden usar varios materiales diferentes: el electrodo Clark típico y sus adaptaciones (Johnson et al., 1964) usan platino como el cátodo donde se reduce el oxígeno, mientras que Ag / AgCl sirve como la pareja anódica. La membrana generalmente está hecha de teflón. La figura 1 muestra las características más destacadas de una sonda de este tipo:
    Figura 1: Sonda con un electrodo Clark

    La magnitud del voltaje se fija para obtener una relación lineal entre la corriente medida y la concentración de oxígeno disuelto. Por lo tanto, la sonda se puede usar para estimar el OD después de la calibración. Además del sistema de tipo Clark, también se han probado otros materiales tanto para los electrodos (plata-plomo, oro-cadmio) como para la membrana (silicona, goma de caucho). Para la mayoría de estas sondas, también se debe tener cuidado de que el consumo de oxígeno por el electrodo no influya en las mediciones tomadas.

    Los sensores de zirconia son una subclase de sensores electroquímicos que han sido objeto de muchas investigaciones en los últimos tiempos. Son células de Nernst de estado sólido (células de concentración) que están expuestas a la atmósfera por un lado y a la solución de interés por el otro. La diferencia en la concentración de oxígeno entre los dos da lugar a un voltaje de salida que está relacionado con la concentración de oxígeno aunque de forma no lineal. Una limitación de tales sondas es que funcionan solo a altas temperaturas y, por lo tanto, actualmente no se usan ampliamente en biorreactores y en la industria de la biotecnología.

  2. Sondas de enfriamiento de la fotoluminiscencia : estas sondas utilizan moléculas sensibles al oxígeno cuya fotoluminiscencia disminuye con la unión del oxígeno. Típicamente, esta molécula fotosensible está incrustada en una matriz polimérica y se asocia de manera reversible con el oxígeno. La Figura 2 muestra los posibles procesos de excitación y desexcitación que pueden tener lugar tras la irradiación de tales moléculas con luz:
    Figura 2: Posibles transiciones después de la fotoexcitación (reproducido de Quaranta et al., 2012)

    La transición indicada por las flechas azules corresponde a la excitación del estado fundamental ([matemática] S_ {0} [/ matemática]) a estados de mayor energía ([matemática] S_ {1} [/ matemática] o [matemática] S_ {2 } [/ math]) debido a la absorción de un fotón de la luz incidente. Este estado excitado puede relajarse sin emitir radiación al primer estado excitado [matemáticas] S_ {1} [/ matemáticas] como lo indican las flechas onduladas. Ahora, la desexcitación de vuelta al estado fundamental [matemática] S_ {0} [/ matemática] puede realizarse mediante emisión de fluorescencia directamente (flechas verdes) o por fosforescencia (flechas rojas). En el último caso, también se requiere una transición intermedia de reducción de energía no radiativa. Las tasas de fosforescencia son generalmente insignificantes a menos que haya átomos pesados ​​dentro de la estructura de la molécula. En presencia de oxígeno molecular, se agrega otra ruta de desexcitación no radiativa como se muestra en el extremo derecho de la Figura 2, con el oxígeno excitado desde su estado fundamental a un estado excitado. [Nota: Aquí hay mucha más física subyacente (por ejemplo, transiciones permitidas por giro y prohibidas por giro) que no se describe aquí. Se remite al lector interesado a descripciones más detalladas del Diagrama de Perrin-Jablonski.]

    En base a estos eventos, hay una serie de metodologías de detección que pueden emplearse:

    • Detección directa : mida la disminución de la intensidad de luminiscencia directamente antes y después de la unión de oxígeno. La reducción es directamente proporcional a la concentración de oxígeno. Sin embargo, las mediciones directas son propensas a grandes errores, por lo que este método rara vez se usa.
    • Detección radiométrica : utilice un sensor que contenga un indicador y un tinte de referencia, este último insensible al oxígeno. La relación de las intensidades de luminiscencia cuando se mide a dos longitudes de onda de emisión diferentes permite la estimación de la concentración de oxígeno (Wang et al., 2010). Un inconveniente de este método es que las diferencias en la dispersión de la luz en las dos longitudes de onda afectarán la medición.
    • Medición de la vida útil en el dominio del tiempo : la excitación se realiza mediante un pulso y se traza la curva de disminución de la intensidad de luminiscencia. La concentración de oxígeno puede extraerse calculando la vida útil, definida como la duración promedio durante la cual una molécula está presente en el estado excitado.
    • Medición de vida útil en el dominio de la frecuencia : el cambio de fase entre la luz emitida y la incidente puede usarse para estimar la vida útil y, utilizando ese resultado, la concentración de oxígeno. La Figura 3 muestra una de esas configuraciones:
      Figura 3: Configuración para la estimación de OD del dominio de frecuencia (reproducido de Bambot et al., 1994)
    • Hay una serie de otros métodos ópticos utilizados, como la microscopía multifotónica (Finikova et al., 2008) u otras metodologías espectroscópicas (McDonagh et al., 2008), pero no se cubrirán en detalle aquí.

Después de esta breve descripción general de los métodos actuales, vale la pena mencionar que se ha demostrado que tanto las sondas electroquímicas como las ópticas tienen una precisión y un rendimiento similares (Hanson et al., 2007), aunque las aplicaciones individuales podrían preferir sistemas particulares. Además, una nueva idea para el futuro es la de los sensores desechables de un solo uso, por lo que será interesante realizar un seguimiento de los próximos desarrollos en esta área.

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