Estudi i optimització de la morfologia d´un sensor de pH basat exclusivament en paper

Abstract

El present estudi es centra en la fabricació d’un sensor de pH basat exclusivament en paper que permeti detectar el valor de pH de diverses substàncies de manera repetitiva i confiable així com la seva concentració. L’estudi també engloba el disseny d’un model definitiu de mecanisme manual que permeti la deposició sincronitzada dels reactius a la superfície del sensor, dotant a l’experiment de la repetibilitat requerida. S’usa el programari Ansys Fluent per analitzar la difusió de l’ió H+ en el substrat i així millorar el disseny d’aquest per aconseguir resultats més acurats. Les equacions de difusió de Fick i de Navier-Stokes es resolen per mitjà del codi CFD el qual és utilitzat per Ansys a l’hora de realitzar els càlculs. Finalment, a través de l’anàlisi dels diferents experiments realitzats, s’extreu informació basada en píxels de color (perfil RGB) a través d’ImageJ. El model de simulació es valida a partir dels resultats experimentals obtinguts al laboratori.

El presente estudio se centra en la fabricación de un sensor de pH basado exclusivamente en papel que permita detectar el valor de pH de diferentes sustancias de manera repetitiva y confiable, así como su concentración. El estudio contempla también el diseño de un modelo definitivo de mecanismo manual que permita la deposición sincronizada de los reactivos en la superficie del sensor, dotando al experimento de la repetitividad requerida. Se usa el programa Ansys Fluent para analizar la difusión de los iones H+ en el sustrato y así mejorar el diseño de éste para lograr resultados más fiables. Las ecuaciones de difusión de Fick y Navier-Stokes se resuelven a través del código de cálculo CFD, el qual es usado por Ansys Fluent. Finalmente, a través del análisis de las pruebas experimentales realizadas, se extrae información basada en píxeles de colores (perfil RGB) a través del programa ImageJ. El modelo de simulación es validado a partir de los resultados obtenidos en las pruebas del laboratorio.

This study focuses on the fabrication of a pH sensor made out exclusively of paper, which allows to detect the pH for different substances with repetitivity, obtaining reliable results. The study also includes the final design of the sensor positioning mechanism, which allows a synchronized delivery of the reagents to the sensor surface. Ansys Fluent software is used in order to analyze the diffusion of H+ species on the substrate and the best substrate design to achieve accurate measurements. Fick’s diffusion law and Navier-Stokes equations are solved by the CFD code, which is used by Ansys to perform the calculations. Finally, by image analysis of the sensor performance at the laboratory, the diffusion profile data is extracted by ImageJ software. The simulations are validated with the experimental results.