Sistema de detecção on-line de agentes nocivos monitora rios de Cubatão

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04/07/2013

O projeto, intitulado “Sensor de imagem química para detecção de elementos patogênicos e de metais pesados aplicados no controle ambiental”, desenvolvido pelo pesquisador de doutorado Mauro Sérgio Braga e coordenado pelo Prof. Dr. Walter Jaimes Salcedo do Laboratório de Microeletrônica da Universidade de São Paulo, tem por objetivo o desenvolvimento de um sistema sensor de imagem química, comumente chamado de LAPS (Light-Addressable Potentiometric Sensor), que será aplicado na detecção e no monitoramento de agentes nocivos à saúde e ao meio ambiente como metais pesados e bactérias causadoras de doenças.

Em desenvolvimento, junto ao CEPEMA, o projeto está integrado ao município de Cubatão como “projeto piloto” para monitoramento dos rios Cubatão e Casqueiro.

Na Baixada Santista (SP), a cidade de Cubatão se destaca em potencial de estudo ambiental, pois abriga um dos mais importantes pólos industriais do Brasil, com aproximadamente 100 indústrias, sendo estas as principais responsáveis pela poluição do Meio Ambiente. Desde os anos 80, as emissões descontroladas de substâncias gasosas provenientes das indústrias químicas, petroquímicas, de fertilizantes e siderurgia, além das emissões de sedimentos sólidos e líquidos, colocaram a cidade de Cubatão no centro das discussões ambientais mundiais. Dentro deste cenário, Cubatão foi considerada, na época, “uma das cidades mais poluídas do mundo” e seus problemas, com visibilidade nacional e internacional, foram frequentemente citados como mau exemplo, passando a ser conhecida como “Vale da Morte”.

A necessidade de continuidade e evolução da implantação e aperfeiçoamento dos sistemas de controle da poluição, aliados a uma política de sustentabilidade urbana, faz do presente projeto uma alternativa adicional às técnicas já tradicionalmente utilizadas, destacando-se esta por seu custo reduzido, eficiência no mapeamento das fontes poluidoras, e por permitir a identificação dos poluentes de forma on line e in loco.

O princípio de geração de imagens químicas vem sendo usado há muitos anos como nariz e línguas eletrônicas, em analogia a sistemas olfativos e de degustação, que basicamente são constituídos de diferentes tipos de receptores distribuídos regularmente no sistema sensorial. Para tal fim, os dispositivos sensores poderão ser funcionalizados com membranas seletivas a detecção iônica (H+, Na+, K+, Ca2+), pH, atividades metabólicas de elementos biológicos patogênicos  (E. coli, salmonella, etc.) e metais pesados (Hg, Pb, Cd, etc.) nas aplicações do monitoramento ambiental de efluentes, processos industriais, unidades de controle e tratamento de água potável e da qualidade da água de rios.

O sistema proposto pelos pesquisadores utilizará um sensor à base de silício que, a partir do escaneamento de um conjunto de pixels de luz ativados de um painel display OLED (Diodo orgânico emissor de luz ou fotoemissor), tornará possível o reconhecimento de diferentes tipos de colônias microbiológicas patogênicas ou metais pesados gerando um padrão de imagem representativo destes elementos (Figura 1), a serem observados em uma tela computacional.

Essas imagens fornecem padrões de respostas complexas, devido a diferentes sensibilidades e variações na seletividade das partes que compõem a superfície sensível do dispositivo, o que dá margem a inúmeras possibilidades de estudo para um grande número de membranas seletivas a componentes tóxicos.

O módulo de detecção será integrado a circuitos eletrônicos que permitirão enviar os dados analíticos e de concentrações dos agentes poluidores em tempo real, via internet aos centros de monitoramento e pesquisas, Ministério Público, Defesa Civil, Secretaria de Meio Ambiente, etc.

O esquema a seguir ilustra o processo.

Figura 1 – Sistema embarcado com tecnologia FPGA (Field-programmable gate array) para obtenção de padrões de imagens químicas.

No ano de 2010, uma editora alemã lançou um livro sobre o tema desenvolvido pelo pesquisador Mauro em seu projeto de mestrado, intitulado “Image Sensor for Detection of Gases” e no ano de 2011, publicou o artigo “Filmes Fotoluminescentes Aplicáveis ao Sensoriamento de Oxigênio e Pressão Aerodinâmica” pela revista Intech Brasil. Atualmente, além de pesquisador do Cepema-USP Mauro Sérgio Braga é professor no Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IF-SP) nas áreas de Elétrica, Eletrônica e Automação Industrial.

Como funciona o LAPS em uma linguagem mais técnica

Os dispositivos LAPS baseados em estruturas EIS (Eletrólito-Isolante-Semicondutor), têm se tornado cada vez mais populares em diferentes aplicações nas áreas da química e biologia, pois nos métodos convencionais dos sistemas LAPS, a determinação quantitativa de mudanças do pH sobre a resposta de fotocorrente dos dispositivos, podem envolver operações complexas e equipamentos dispendiosos que normalmente os deixam relativamente lentos e caros. No entanto, para minimizar tais limitações, torna-se necessário o estudo de novas técnicas de aquisição e tratamento de sinais com uso dispositivos discretos sem que haja perda de informações oriundas dos fenômenos químicos envolvidos.

O método de medição LAPS permite a geração de imagens químicas, na qual uma tensão elétrica de polarização Vp é aplicada de forma a proporcionar o surgimento de uma camada de depleção no semicondutor.

Figura 2 – Funcionamento do LAPS (Light-Addressable Potentiometric Sensor). Os aplicativos de softwares do sistema de monitoramento estão sendo desenvolvidos pela mestranda Daniela de Souza Santos, também orientada pelo Prof. Dr. Walter Jaimes Salcedo.

Entendendo-se que os microorganismos excretam produtos ácidos, pelo resultado das atividades metabólicas no curso de incubação, pode-se, então, quantificar estes elementos pela medição da variação do pH no meio. Em resumo, entendendo a superfície do dispositivo como uma matriz de posições, ao varrê-la com uma luz pulsada, obtém-se uma matriz com valores de fotocorrente característicos para cada ponto onde a luz é incidente e, com isso, pode-se facilmente construir mapas com imagens representativas dos meios microbiológicos, Uma das aplicações mais estudadas no que se refere a sistemas biológicos, é a determinação de bactérias de Escherichia coli (Figura 3).

Figura 3 – Imagem química obtida pelo LAPS de uma colônia de bactéria tipo E. coli em diferentes tempos de incubação  Retirado de: YOSHINOBU, et al., 2001.

Fonte: CEPEMA