Diseño de ingeniería de un sensor optoquímico orientado a zonas rurales de Colombia para la cuantificación de la concentración de electrolitos séricos sodio y potasio
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2020
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Resumen
El presente documento expone un trabajo de integración que finalizó en el diseño ingenieril conceptual, detallado e industrial, y la evaluación a través de plataformas de simulación de un sensor optoquímico orientado a zonas rurales de Colombia para la cuantificación de la concentración de los electrolitos séricos sodio y potasio. El producto entregado contempla la materialización de la estructura de la sección de cuantificación, el diseño y la implementación de un sistema de control para la regulación de la temperatura de la muestra, y el diseño de un cartucho desechable que está conformado por una membrana de ajuste de pH, una membrana ion-selectiva y una membrana de filtrado, incorporadas en un canal de microfluido. El prototipo y el canal de microfluido se diseñaron en la plataforma Fusion360, y el sistema de control se diseñó en la plataforma Matlab-Simulink. La relación de las magnitudes obtenidas del circuito de medida y las concentraciones de los electrolitos, se estableció a partir de las ecuaciones de caracterización del comportamiento del sistema expuestas en la literatura. Las simulaciones de los subsistemas se desarrollaron haciendo uso de COMSOL, Proteus y Arduino. Se logró el diseño de un sensor optoquímico que cuantifica la concentración de potasio y sodio en un rango de 2 a 9mM/L con una resolución de 0.007mM/L y en un rango de 100 a 180mM/L con una resolución de 0.08mM/L. El instrumento de medida diseñado posee una incertidumbre de 5mM/L para el sodio y de 0.06mM/L para el potasio. Se obtuvo el diseño de una membrana que filtra el 79.34\% del total de las células sanguíneas en un tiempo de 2s; un canal de microfluido en forma de -T- para el desplazamiento de la muestra en un tiempo de 4 minutos; y un sistema de control que garantiza que la temperatura de la muestra alcance el setpoint (37 \textcelsius) en un tiempo aproximado de 140s, con un sobrepico máximo de 8.30\% y se mantenga. Finalmente, se desarrollo un manual con las especificaciones de uso y mantenimiento del prototipo.
Descripción
Abstract
This document presents an integration work that ended in the conceptual, detailed and industrial engineering design, and the evaluation through simulation platforms of an optochemical sensor oriented to rural areas of Colombia for the quantification of the concentration of sodium serum electrolytes. and potassium. The delivered product includes the materialization of the structure of the quantification section, the design and implementation of a control system to regulate the temperature of the sample, and the design of a disposable cartridge that is made up of an adjustment membrane. of pH, an ion-selective membrane and a filtration membrane, incorporated in a microfluidic channel. The prototype and the microfluidic channel were designed on the Fusion360 platform, and the control system was designed on the Matlab-Simulink platform. The relationship of the quantities obtained from the measurement circuit and the concentrations of the electrolytes was established from the equations of characterization of the behavior of the system exposed in the literature. The subsystem simulations were developed using COMSOL, Proteus and Arduino. The design of an optochemical sensor that quantifies the concentration of potassium and sodium in a range of 2 to 9mM / L with a resolution of 0.007mM / L and in a range of 100 to 180mM / L with a resolution of 0.08mM / L was achieved. L. The designed measuring instrument has an uncertainty of 5mM / L for sodium and 0.06mM / L for potassium. The design of a membrane was obtained that filters 79.34 \% of the total blood cells in a time of 2s; a microfluidic channel in the form of -T- for the displacement of the sample in a time of 4 minutes; and a control system that guarantees that the temperature of the sample reaches the setpoint (37 \ textcelsius) in an approximate time of 140s, with a maximum overshoot of 8.30 \% and is maintained. Finally, a manual was developed with the specifications for use and maintenance of the prototype.
Palabras clave
Cuantificación, Electrolitos, Óptodo, Sensor
Keywords
Quantification, Electrolytes, Optode, Sensor