Development of portable water quality assessment instruments using embedded systems and optoeletronic components

Abstract

Currently, most water parameters determinations are carried out into highly specialised laboratories, using the state-of-art bench top instruments, designed to provide precision and accuracy for a large variety of substances in samples that present very extreme complex matrices. This classical approach presents significant challenges in terms of sampling, analysis and costs. Nitrates are in important source of nutrients for the plants, however in excess concentration they can cause significative water problems and can post a negative impact on human health. A new extremely portable, low-cost, stand-alone instrument called Nitrate Portable Measurement System (NPMS), for nitrate determination in water was developed. The device uses a reagent free method to determine nitrate in water samples, based on the Beer-Lambert-Bouguer Law. The electronic components were assembled in a printed circuit board and settled in a 3D printed enclosure box allowing a very compact self-contained equipment, with high portability. The instrument was able to determine nitrate concentration with the same or higher precision and accuracy than the reference spectrophotometer used during the test for comparison An Iron Measurement System (IMS) was developed using the same concept as the NPMS with major improvements. The IMS uses multichannel red, green, blue light emission paired diodephotodiode. The standard colorimetric method of the phenanthroline was adopted to determine iron in wavelength range between 470 and 600 nm. A new solid reagent phenanthroline-based prepared in-house was investigated and intended as a "ready-to-use" to optimise the ex-situ determinations on the field. The IMS was heavily tested over different matrices of water solutions presenting the same or higher accuracy and precision compared to the reference spectrometer; - Avaliação da Qualidade da água utilizando técnicas de deteção remota Resumo: Atualmente a determinações de parâmetros de qualidade da água é efetuada em laboratórios altamente especializados, utilizando os instrumentos de bancada mais avançados, concebidos para fornecer precisão e exatidão na medição de uma grande variedade de substâncias em amostras de água que apresentam matrizes de extrema complexidade. Esta abordagem clássica apresenta desafios significativos em termos de amostragem, análise e custos. Os nitratos são uma importante fonte de nutrientes para as plantas, no entanto em concentrações excessivas podem provocar impactes significativos nos ecossistemas e saúde humana. Um novo instrumento extremamente portátil, de baixo custo, autónomo, denominado Sistema Portátil de Medição de Nitratos (NPMS). Este dispositivo utiliza uma metodologia sem reagentes para determinar nitratos em amostras de água, baseada na Lei da Beer-Lambert- Bouguer. Os componentes eletrónicos foram montados numa placa de circuito impresso e acomodados num invólucro impresso em 3D, reduzindo assim as dimensões do instrumento e aumenta a sua portabilidade. O instrumento foi capaz de determinar concentrações de NO3- com a mesma ou maior precisão e exatidão do que o espectrofotómetro de referência utilizado durante o teste de comparação. Um Sistema de Medição de Ferro (IMS) foi desenvolvido utilizando o mesmo conceito do NPMS, com a introdução melhorias significativas. O IMS utiliza um díodo multicanal com emissão de radiação nos comprimentos de onda vermelho, verde e azul. Este díodo encontra-se emparelhado com um fotodidodo. A determinação do ferro é efetuada através do método colorimétrico padrão da fenantrolina. Foi investigado um novo reagente sólido à base de fenantrolina preparado internamente e concebido como um pré-tratamento "pronto a usar" em amostras de água e assim optimizar a determinação ex-situ no campo. O IMS foi intensivamente testado em diferentes matrizes de soluções de água e é capaz de determinar Fe2+/l, com a mesma ou maior precisão e exatidão de um espectrómetro de referência.