Estudio de la sensibilidad de la capacitancia de los sensores interdigitales basado en grafeno para iones de nitratos en suelo

Abstract

Un aspecto fundamental para incrementar la productividad agrícola y que esta sea de buena calidad es realizar un adecuado control de la cantidad de nutrientes que reciben las plantas; siendo el nitrógeno uno de los nutrientes más importantes para el adecuado desarrollo y crecimiento de las mismas y que cuyo control contribuye a la conservación del medio ambiente. A pesar que el nitrógeno es abundante en nuestro planeta, el nitrógeno se encuentra en su mayoría en la atmósfera y las plantas no pueden absorber este nutriente con facilidad; sin embargo y gracias a un proceso natural llamado ciclo del nitrógeno, este nutriente pasa al suelo en forma de nitratos y amoniacos, soluciones que pueden ser absorbidos por las plantas. Tradicionalmente, la cuantificación de la concentración de nitratos se realiza mediante métodos como la cromatografía iónica realizados en un laboratorio, lo que conlleva a problemas como, por ejemplo, tiempo de procesamiento de las muestras, complejidad en el mismo proceso de análisis y personal profesional capacitado para la manipulación de dichos equipos de análisis. Existen sensores que utilizan principios electroquímicos; sin embargo, presentan limitaciones tales como su complejidad a la hora de su fabricación, costos y dificultades para realizar mediciones en tiempo real. Recientemente, se han desarrollo tecnología de sensores donde se aprovecha sus características eléctricas tales como los sensores capacitivos interdigitales cuyo principio se basa en la generación de un campo eléctrico, de tal manera que si aplicamos un campo eléctrico sobre una solución por ejemplo concentración de nitratos se produciría una alteración del campo eléctrico generando cambios en parámetros como la impedancia eléctrica (Z) relacionada inversamente con la conductividad eléctrica. Sin embargo, los materiales usados para la fabricación de estos sensores son de origen metálico siendo poco atractivos para aplicaciones agrícolas debido a la corrosión. Debido a este problema se desarrollaron distintos materiales, entre los que destaca el grafeno que ha mostrado ser entre muchas de sus propiedades un material mecánicamente fuerte y con muy buena conductividad eléctrica. En este trabajo de tesis se realiza el estudio de la sensibilidad de la capacitancia de un sensor capacitivo interdigital basado en grafeno aplicado a las mediciones de concentraciones de nitratos. De acuerdo a los resultados obtenidos, el sensor capacitivo interdigital muestra en general repetibilidad en las mediciones sobre todo para concentraciones mayores de 10ppm. Además, el sensor presenta una variabilidad alrededor del 16%, esta variabilidad podría deberse a la contribución de la matriz o línea base (Agua pura tipo I). También se calcula el límite de detección del sensor cuyo resultado es de 1.71ppm. Por último, se realizaron mediciones de concentraciones de nitratos sobre muestras de suelo agrícola mostrando diferencias en las lecturas con respecto al método de cromatografía iónica. Esta diferencia se debe a las diferentes metodologías usadas en el cálculo de la concentración de nitratos y al proceso de fertilización que se aplicó al campo de cultivo pocas semanas antes. A pesar de la diferencia en las medidas del sensor con el de la cromatografía iónica, ambos procedimientos mostraron una elevada cantidad de concentración de nitratos, llegando a su punto de saturación en el caso del sensor capacitivo interdigital.

----- A fundamental aspect to increase agricultural productivity and for it to be of good quality is to carry out an adequate control of the amount of nutrients that the plants receive; Nitrogen being one of the most important nutrients for the proper development and growth of plants and whose control contributes to the conservation of the environment. Although nitrogen is abundant on our planet, most of it is found in the atmosphere and plants cannot easily absorb this nutrient; however, thanks to a natural process called the nitrogen cycle, this nutrient passes into the soil and is absorbed by plants, but in the form of nitrates. Traditionally, the quantification of the concentration of nitrates is carried out using methods such as ion chromatography performed in a laboratory, which leads to problems such as sample processing time, complexity in the sample analysis process itself, and professional staff trained to handle such analysis equipment. There are sensors that use electrochemical principles; However, they have limitations such as such as its complexity at the time of its manufacture, costs and difficulties in real-time measurements. Recently, sensor technology has been developed where its characteristics are used. such as interdigital capacitive sensors whose principle is based on the generation of an electric field, in such a way that if we apply an electric field to a solution, for example, a concentration of nitrates, an alteration of the electric field will be produced, generating changes in parameters such as the electric impedance (Z) inversely related to the conductivity electrical. However, the materials used in these sensors are of metallic origin, making them unattractive for agricultural applications due to corrosion. Due to this problem, different materials were developed, among which graphene stands out, which has shown to be, among many of its properties, a mechanically strong material and with very good electrical conductivity. In this thesis work, the study of the sensitivity of the capacitance of an interdigital capacitive sensor based on graphene applied to the measurements of nitrate concentrations is carried out. According to the results obtained, the interdigital capacitive sensor generally shows repeatability in the measurements, especially for concentrations greater than 10ppm. In addition, the sensor presents a variability around 16%. The detection limit of the sensor was also calculated whose result was 1.71ppm. Finally, measurements of nitrate concentrations were made on samples of agricultural soil, showing differences in the readings with respect to the method of ion chromatography. This difference is due to the different methodologies used in the calculation of the nitrate concentration and the fertilization process that was applied to the crop field a few weeks before. Despite the difference in the measurements of the sensor with that of ion chromatography, both procedures showed a high amount of nitrate concentration, in the case of sensor reaching its saturation point.