Sensores y métodos para la detección y cuantificación de aldehídos.

Sensores y métodos para la detección y cuantificación de aldehídos.

La presente invención describe una fibra óptica con un elemento sensor que consiste un recubrimiento modificado que comprende al menos un polímero orgánico y un elemento indicador para su uso en la detección y cuantificación de aldehídos. Así también se describe un método de fabricación de dicha fibra óptica, un sensor óptico que la comprende y un método empleado para la detección y cuantificación del aldehído.

Sensores y métodos para la detección y cuantificación de aldehídos.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere la detección y cuantificación de aldehídos. La presente invención pertenece a los campos de las técnicas del análisis químico, los métodos ópticos colorimétricos, monitorización y salud en el trabajo, seguridad e higiene, telecomunicaciones, seguridad personal y laboral, medio ambiente, y control de procesos industriales.

ANTECEDENTES

Tradicionalmente, la medida de la exposición de los trabajadores a agentes químicos que puedan estar presentes en su ambiente de trabajo suele estar basada en métodos acumulativos donde el trabajador lleva prendido un soporte dotado de un medio adsorbente que se analiza al final de la jornada laboral para determinar, a posteriori, la posible exposición del mismo a los agentes seleccionados. Dicho protocolo de medida dificulta la obtención de información detallada sobre el nivel de exposición en distintos momentos de la jornada, así como supone la obtención de la información sobre los niveles de exposición una vez transcurridas horas e incluso días desde el momento en el que se produjo la exposición lo que, en determinadas circunstancias, limita la capacidad de actuación a la hora de controlar los riesgos por exposición a agentes químicos.

Recientemente se han desarrollado métodos y sensores químicos para la monitorización de ambientes de trabajo. La mayor parte de ellos son sensores químicos que monitorizan la posible presencia del tóxico en un punto determinado y no una amplia zona de trabajo. Asimismo, ciertos sensores químicos presentan interferencias y respuestas cruzadas. Otros dispositivos de medida más específicos son los basados en espectroscopia Raman o de absorción infrarroja, sin embargo estos dispositivos tienen un alto coste, son de lenta respuesta o requieren la presencia del operador, limitando así su aplicabilidad y comercialización como métodos de monitorización en continuo de ambientes de trabajo.

El impacto económico de la siniestralidad y enfermedades laborales, tanto en las empresas como en el sistema público de salud, es cada vez más alto. Según la visión europea de la “Fábrica del Futuro” (FoF) [EC AIAG FoF2009], los tiempos venideros deparan entornos de fabricación enormemente dinámicos, con productos y tecnologías altamente sofisticadas. Estas nuevas tecnologías y procesos de fabricación más complejos pueden estar dotados de sensores físicos o químicos que guíen el proceso de fabricación, aseguren la calidad del producto, protejan la salud laboral y garanticen la protección del medio ambiente circundante, entre otras funciones. Por lo tanto, existe una creciente demanda para mejorar los sistemas utilizados para monitorizar la posible exposición a agentes químicos de los trabajadores en sus puestos de trabajo, desarrollando dispositivos rápidos y fiables que permitan la detección “in situ”, en continuo y en tiempo real del agente tóxico, además de su precisa identificación y cuantificación.

El formaldehido es uno de los compuestos químicos claramente identificados como responsables de la contaminación del aire en el interior de fábricas y oficinas, de hecho, se le identifica como uno de los causantes del síndrome del "edificio enfermo", debido a su emanación desde adhesivos, recubrimientos y aislantes térmicos. Entre los usos más frecuentes del formaldehido se encuentran: su utilización como monómero en la fabricación de resinas aminoplásticas y resinas funcionalizadas, su uso como intermedio de síntesis de etilenglicol, 1, 4-butanodiol, 4, 4’diisocianato de difenilmetano (MDI) , etc.) , la fabricación de biocidas, su utilización como fijador de tejidos en laboratorios de anatomía patológica, etc. Dada su elevada reactividad, puede generar lesiones de carácter local en los tejidos expuestos a esta sustancia. El National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) ha descrito que los efectos de una exposición prolongada o puntual a unas concentraciones de entre 10 y 20 ppm de formaldehido produce irritación inmediata de los ojos y una profunda sensación de ardor en la nariz y garganta que pueden asociarse con estornudos, dificultad para tomar aliento y tos (Personal observations. Rochester, NY: Eastman Kodak Company, Laborator y of Industrial Medicine. From Patty FA, ed. [1963]. Industrial hygiene and toxicology. 2nd rev. ed. Vol. II. Toxicology. New York, NY: Interscience Publishers, Inc., p. 1971) . Se ha estimado que exposiciones durante 5 o 10 min a 50–100 ppm de formaldehido pueden causar serias lesiones en el aparato respiratorio. También se ha descrito que la mayoría de los sujetos experimentan irritación en ojos, nariz y garganta de 1 a 3 ppm; muchos sujetos no pueden tolerar exposiciones prolongadas de 4 a 5 ppm y algunos sujetos han experimentado dificultades respiratorias en exposiciones de 10 a 20 ppm (IARC monographs on the evaluation of the carcinogenic risk of chemicals to humans. Vol. 29. Some industrial chemicals and dyestuffs. Lyon, France: International Agency for Research on Cancer, pp. 345-389) .

De igual forma se relaciona la exposición a formaldehido con la aparición de procesos alérgicos en la piel así como con la aparición de cánceres nasofaríngeos. La Agencia Internacional de Investigación del Cáncer (IARC) clasificó en 2004 al formaldehido dentro de su grupo 1 (carcinógeno para el ser humano) (IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Human. Volume 88 (2006) . Formaldehy de, 2-Butoxyethanol and 1-tertButoxypropan-2-ol) . En la actualidad, en España existe un límite de exposición profesional para el formaldehido de 0, 3 ppm (VLA-EC: valor límite ambiental para exposiciones de corta duración) .

ES 2 424 772 Al

Los métodos estándar validados por NIOSH y OSHA para la monitorización de formaldehido en puestos de trabajo son, por lo general, acumulativos y por lo tanto, como se ha mencionado anteriormente, no permiten disponer de información en tiempo real sobre el nivel de exposición, lo que dificulta la prevención de los riesgos ligados a la exposición a dichos agentes.

Por todo lo anterior existe la necesidad de disponer de sensores que permitan medir in situ, en tiempo real o cuasireal y de manera continua, la concentración de formaldehido en el ambiente, es decir, la monitorización desatendida de formaldehido en entornos industriales.

Métodos para el análisis de formaldehido:

En la bibliografía se pueden encontrar un gran número de métodos para la medida de formaldehido in situ, tanto en espacios cerrados como abiertos (Salthammer, T; Mentese, S.; Marutzky, R. Chem. Rev. 2010, 110, 2536–2572) . Los métodos de medida al aire libre emplean, por lo general, técnicas espectroscópicas de absorción de la radiación electromagnética (DOAS, FTIR, LIFS, TDLS) . Para monitorización en espacios cerrados, sin embargo, los métodos de derivatización química son más populares. La mayoría de estos métodos implican la formación de un derivado del formaldehido, para después cuantificarlo mediante diferentes técnicas cromatográficas y/o espectroscópicas. Algunas de estos métodos son el método con pararrosanilina, método de la MBTH, método del AHMT (4-amino-3hidrazino-5-mercapto-4H-1, 2, 4-triazol) , método del ácido cromotrópico (1, 8-dihidroxinaftaleno-3, 6-disulfónico) , método con acetilacetona (acac) , método del DNPH (2, 4-dinitrofenilhidrazina) , sensores basados en dióxido de estaño dopado con nanotubos de carbono de múltiples paredes (MWCNTs) hidroxifuncionalizados y reacciones enzimáticas cuyos productos se detectan por técnicas electroquímicas o fotoquímicas.

Sensores químicos basados en la utilización de fibra óptica:

Existe una extensa bibliografía sobre sensores químicos por fibra óptica. En la mayor parte de los mismos, la fibra óptica se utiliza como mero conductor de la luz donde el elemento sensor está situado en el extremo final de la misma (“extrínseco”) . Generalmente se trata de sensores basados en medidas de absorción de luz por un indicador sensible al analito seleccionado, reflectancia difusa o luminiscencia del mismo, inmovilizado en materiales opacos. La mayor aportación de la fibra óptica en este tipo de sensores es por tanto el permitir monitorizar la presencia de un analito de forma remota, en continuo, en tiempo real y en línea.

No obstante, también se pueden encontrar ejemplos de fabricación de sensores de fibra óptica donde el recubrimiento ("cladding") original de la fibra óptica es sustituido por otro o modificado, en toda su longitud o en una parte de ella, para utilizarlo como elemento sensor.

En este caso,... [Seguir leyendo]

1. Fibra óptica con un elemento sensor que consiste en un recubrimiento modificado que comprende al menos un polímero orgánico y un elemento indicador sensible a aldehídos.

2. Fibra óptica con un elemento sensor según la reivindicación 1 donde el polímero orgánico es un polímero orgánico de intercambio iónico.

3. Fibra óptica con un elemento sensor según las reivindicaciones 1 o 2 donde el polímero orgánico es un polímero orgánico perfluorado.

4. Fibra óptica con un elemento sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 donde el polímero orgánico es un copolímero de ácido perfluorosulfónico y poli (tetrafluoroetileno) (PTFE) .

5. Fibra óptica con un elemento sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 donde elemento indicador sensible a aldehídos es un indicador cromóforo.

6. Fibra óptica con un elemento sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde elemento indicador sensible a aldehídos es leucofucsina.

7. Fibra óptica con un elemento sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el elemento sensor está presente a lo largo de toda la fibra óptica.

8. Fibra óptica con un elemento sensor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 donde el elemento sensor está presente en una o varias partes de la fibra óptica.

9. Fibra óptica con un elemento sensor según cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la fibra óptica es de plástico.

10. Procedimiento de fabricación de las fibras ópticas con un elemento sensor que se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 que comprende las etapas de:

a) retirada del recubrimiento original de la fibra óptica original o alternativamente, empleo de fibras ópticas originales sin recubrimiento original, o alternativamente, empleo de la fibra óptica original sin eliminar su recubrimiento original,

b) recubrir el exterior de la fibra óptica de la etapa a) con el polímero orgánico, e

c) inmovilizar el indicador sobre la fibra.

11. Procedimiento de fabricación de las fibras ópticas según la reivindicación anterior donde la fibra óptica original es de plástico.

12. Sensor óptico que comprende la fibra óptica definida en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, una fuente de excitación y un detector.

13. Uso del sensor óptico definido en la reivindicación anterior para detectar la presencia y/o determinar la concentración de un aldehído en un medio.

14. Uso del sensor óptico según la reivindicación anterior donde el aldehído que detecta el sensor se selecciona de entre los aldehídos volátiles.

15. Uso del sensor óptico según cualquiera de las reivindicaciones 13 o 14 donde el aldehído del que se detecta su presencia y/o determina su concentración se selecciona de entre formaldehido, acetaldehído y propionaldehído, preferiblemente el aldehído es formaldehido.

16. Uso del sensor óptico según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15 donde el medio en el que se detecta el aldehído es el aire o el agua.

17. Método de detección y/o cuantificación de un aldehído que comprende las etapas de: a) proporcionar una luz incidente a la fibra óptica del sensor óptico definido en la reivindicación 12, b) detectar la luz emergente de la fibra óptica con el detector del sensor óptico definido en la reivindicación 12,

y c) correlacionar la intensidad de dicha luz emergente con la presencia y/o concentración del aldehído en el medio.

Fig. 1 Fig. 2

Fig. 3 Fig. 4

Fig. 5

2000 4000 6000 8000 10000 12000 Tiempo (s)

Fig. 6

Fig. 7 Fig. 8