Responsável: Sebastião Gomes dos Santos Filho (USP)

Email: sgsantos@usp.br

Resumo:

1 – Alguns Exemplos de sucesso e resultados anteriores na detecção de hidrogênio e hidrocarbonetos:

No período de 2017 até 2022, foram desenvolvidos protótipos de sensores químicos para detecção de hidrogênio e hidrocarbonetos acoplados em circuitos e sistemas de processamento e condicionamento de sinais. As figuras a seguir ilustram protótipos construídos de: a) sensor químico de hidrogênio e hidrocarbonetos e b) sensor de acetileno.

Quimiorresistores encapsulados como ilustrado na figura foram fabricados para detectar, de forma simples e eficiente, concentrações residuais de hidrogênio e hidrocarbonetos baseado na mudança de resistência de ligas de Pd-P. Foram realizados anteriormente trabalhos de campo para monitoramento da concentração de hidrogênio dissolvido em óleo mineral de transformadores de alta tensão a fim de se fazer diagnóstico preditivo de possíveis falhas fatais óleo mineral.

Para aplicações na agricultura e na indústria de alimentos, foram construídos sensores encapsulados de acetileno para o monitoramento do processo de amadurecimento de frutas após o plantio nas áreas de agricultáveis do país e após a colheita nos centros de distribuição. Durante o amadurecimento, as frutas e vegetais produzem e liberam o etileno e o acetileno em quantidades que dependem do tipo de fruta. As bananas, peras, maçãs, pêssegos e melões, por exemplo, produzem quantidades mais elevadas e quando colocadas em contato com outras mais “verdes”, estas amadurecem rapidamente.

2 – Atividades em andamento no desenvolvimento de um microssistema para detecção de gases

Atualmente existe um interesse crescente na detecção de hidrogênio e hidrocarbonetos na agricultura, na indústria de alimentos, no tratamento de águas/efluentes e no processo de detecção de falhas em transformadores de alta tensão, dentre outras.

Sensores químicos e eletroquímicos serão integrados em um mesmo microssistema com sensores IMS LGAD e diodo MOS, utilizando estruturas híbridas de silício, alumina, filmes finos, filmes espessos e com resistores de aquecimento serigrafados para controle de temperatura. O microssistema integrado, composto de sensores IMS, LGAD, Diodo MOS e químico/eletroquímico, será montado em placa de circuito impresso e fará a detecção de espécies ionizadas dos hidrocarbonetos (CH₄, C₂H₆, C₂H₄ e C₂H₂). O desenvolvimento do microssistema integrado mencionado representa um grande desafio no âmbito do presente INCT tendo em vista que não existe ainda o monitoramento in-situ simultâneo de hidrogênio e de hidrocarbonetos de forma quantitativa nas aplicações de monitoramento de transformadores de alta tensão e de águas/efluentes em estações de tratamento. As principais atividades em andamento para o desenvolvimento de um microssistema para detecção de gases são as seguintes:

–  Monitoramento preditivo de falhas em transformadores de alta tensão através da detecção de gases dissolvidos no oleo mineral de isolação: – O Microssistema de detecção de gases permitirá fazer a avaliação da deterioração da característica dielétrica do óleo isolante do transformador a fim de fazer um diagnóstico preditivo e evitar prejuízos financeiros substanciais decorrentes da explosão e substituição desses transformadores de grande porte. Em virtude de descargas elétricas localizadas dentro do óleo mineral de isolação, gases dissolvidos dentro óleo começam a ser produzidos de acordo com a temperatura local induzidos pelos arcos voltaicos a partir do hidrogênio (H₂) formado em 250^oC seguido pelo aparecimento de CO, CH₄, C₂H₆, C₂H₄ e culminando na presença de acetileno (C₂H₂) em temperaturas locais a partir 1000^oC quando  pode ocorrer a ruptura da isolação do óleo dielétrico devido aos arco elétricos que passam a ser capazes de vaporizar o óleo do transformador, criando bolhas de gás explosivo que se propagam na velocidade do som com alta pressão dinâmica..

– Monitoramento de qualidade de água e de efluentes: – Microssistema para detecção de O₂, CO e CO₂ necessário para o controle de qualidade de água e efluentes tanto na fase final de tratamento de água como também nas etapas de tratamento de efluentes. A fase final de tratamento de água em estação consiste em receber a aditivação de químicos que corrigem o pH, o cloro, para a desinfecção. No caso de efluentes, também é feito o controle de pH além de coagulação/floculação, oxidação e a desinfecção dos resíduos. O microssistema proposto irá melhorar substancialmente a qualidade dos processos de tratamento de água e efluentes.

Responsável: José Alexandre Diniz (UNICAMP-FEEC)

Email: jadiniz@unicamp.br

Resumo: Esse projeto trata do desenvolvimento de dispositivos de efeito de campo sensível a íons, tais como os capacitores EIS (Eletrólito-Isolante-Semicondutor) (Figuras 1(a) e 1(b)), com diferentes eletrodos integrados (Al (alumínio), TiN (nitreto de titânio) e Au (ouro)/Ti) de referência. Nesse trabalho, os capacitores EIS serão fabricados tendo os óxidos de titânio (TiO2) ou de zircônio (ZrO2) como membrana sensitiva, que será utilizada para detectar a variação do pH de soluções ácidas, neutras e básicas, e de soluções de água de reuso com contaminação de fosfato, respectivamente. Esses óxidos possuem uma grande capacidade de formar ligações de hidrogênio ou de fosfato, aumentando a sensibilidade do dispositivo [1-8]. O desenvolvimento dos Capacitores EIS está baseado na fabricação e na caracterização: (i) de filmes de TiO2 ou de ZrO2 sensível a íons, determinando os melhores parâmetros de espessura, rugosidade, estequiometria e suas propriedades elétricas; (ii) de capacitores Eletrólito-Isolante-Semicondutor–EIS com eletrodos integrados de Al, TiN e Au/Ti de referência [3]. Esse trabalho deverá apresentar as seguintes inovações:

– Capacitores EIS com diferentes membranas sensitivas de TiO2 e de ZrO2, e diferentes eletrodos integrados de referência de Al, TiN e Au/Ti. Todas as possibilidades de amostras serão fabricadas e testadas em soluções com diferentes valores de pH e de concentração de fosfato. Os resultados serão comparados entre si. Trabalhos, comparando as membranas de TiO2 e ZrO2 sensíveis aos íons de hidrogênio (pH) ou de fosfato, não têm sido estudados [1,2].

Referências

[1] Arshak Poghossian and Michael J. Schöning, Capacitive Field-Effect EIS Chemical Sensors and Biosensors: A Status Report, Sensors, 20, 5639, 2020; doi:10.3390/s20195639

[2] Libu Manjakkal, Dorota Szwagierczak and Ravinder Dahiya, Metal oxides based electrochemical pH sensors: Current progress and future perspectives, Progress in Materials Science Volume 109, 100635, 2020; doi:10.1016/j.pmatsci.2019.100635

[3] Rodrigo Reigota CÉSAR. Desenvolvimento de dispositivos de efeito de campo sensível a íons (EIS e ISFET) com diferentes eletrodos integrados (Al, Al2O3/Al, Grafeno/TiN, TiN e Au/Ti) de referência. 2020. Tese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/344350

[4] Rodrigo Reigota CÉSAR, Aline Maria Pascon,  Ioshiaki Doi, José Alexandre Diniz, Electrolyte-insulator-semiconductor devices with different integrated reference electrodes for pH detection, Journal of Vacuum Science & Technology B 36, 03E106, 2018; doi: 10.1116/1.5022160

[5] Subham Dastidar, Abhishek Agarwal, Narendra Kumar, Vivekananda Bal, and Siddhartha Panda, Sensitivity Enhancement of Electrolyte–Insulator–Semiconductor Sensors Using Mesotextured and Nanotextured Dielectric Surfaces, IEEE Sensors Journal, Vol. 15, 4, 2039-2045, 2015; doi: 10.1109/JSEN.2014.2369739

[6]Q. Qiao, X. Cui, W. Xu, T. Li and Y. Wu, Fabrication and Properties of Self-Assembly ZrO₂ Film: In-Suit Detecting Atomized Chemical Warfare Agent Simulator Aqueous Solution With Higher Sensitivity, IEEE Sensors Journal, vol. 20 (20), 12166-12173, 2020, doi: 10.1109/JSEN.2020.2982741.

[7] M. A. Waghmare, Mu. Naushad, Z. A. Alothman, A. U. Ubale, H. M. Pathan,  Zirconium oxide films: deposition techniques and their applications in dye-sensitized solar cells, J Solid State Electrochem 21:2531–2545, 2017; doi: 10.1007/s10008-017-3565-8

[8] Jussara F. Carneiro, Leandro C. Trevelin, Alex S. Lima, Gabriel N. Meloni, Mauro Bertotti, Peter Hammer, Rodnei Bertazzoli, Marcos R. V. Lanza, Synthesis and Characterization of

Responsável: José Alexandre Diniz (UNICAMP-FEEC)

Email: jadiniz@unicamp.br

Resumo: Um método de minimizar os preços e agilizar os diagnósticos é a implementação de biossensores eletrônicos, que tem como característica a fabricação em massa, a rapidez na resposta, baixo custo e fácil manuseio. Dentre os biossensores dessa categoria, dispositivos baseados em Transistores de Efeito de Campo (FETs) [1-3], Sistema Micro Eletromecânico (MEMs) [4], dispositivo de Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) [5] já estão bem consolidados, tanto na literatura quanto na indústria. Além disso, esses dispositivos podem ser construídos não apenas para detecções especificas como vírus, mas também na detecção de sistemas complexos como células cancerígenas [6] ou em aplicações pontuais como no sensoriamento do nível de cálcio no corpo humano [7], assim tornando-os uma plataforma base para sistemas de detecção. Logo, a implementação de dispositivos bioeletrônicos se torna um caminho necessário e natural para a detecção, combate e controle de doenças. Os dispositivos baseados em FET apresentam grandes vantagens em comparação com os outros dispositivos eletrônicos, uma vez que possuem alta sensibilidade e rápida análise de diferentes analitos com sensibilidade e seletividade [6]. Essas propriedades se devem ao acúmulo de carga no canal de condução que é afetado por campos externos e extremamente sensível a interações superficiais do canal com outras moléculas. Atualmente, encontramos na literatura várias referências de BioFETs aplicados no sensoriamento de vírus, alguns exemplos são: HIV [8–10], hepatite B [11–13], Zika vírus [14], dengue[15,16]. Deste modo, o presente projeto apresenta o desenvolvimento e caracterização de um biossensor de transistor de efeito de campo de grafeno com porta dielétrica TiO2, capaz de ser aplicado de forma eficaz e precoce, para o diagnóstico de COVID-19 e de outros vírus, tais como o Zika. Ao contrário dos testes rápidos, que dependem da resposta imune do organismo (produção de anticorpos IgM e / ou IgG), este projeto visa detectar componentes do próprio agente infeccioso COVID-19. Fator que torna os biossensores à base de grafeno vantajosos em relação aos testes atuais disponíveis, uma vez que não haverá dependência da resposta imune à infecção pelo COVID-19, mas sim da presença do vírus nas amostras testadas. Serão feitos trabalhos para reduzir o tempo e os custos envolvidos nas análises, onde a precisão e sensibilidade do dispositivo estarão diretamente ligadas à decoração do grafeno e ao tipo de material biológico utilizado. Sucintamente os principais objetivos são listados abaixo:

(i)         Calibração da taxa de corrosão do grafeno durante o processo de etching por plasma ashing de oxigênio.

(ii)        Desenvolvimento de biossensores aplicados no monitoramento do vírus Cor-SARV-19.

(iii)       Estudo do óxido de titânio (TiO2) aplicado como dielétrico de porta e sua eficiência como biossensor.

Referências:

[1] A.P.F. Turner, Biosensors: sense and sensibility, Chemical Society Reviews. 42 (2013) 3184–3196.https://doi.org/10.1039/C3CS35528D.

[2] R. Antiochia, Developments in biosensors for CoV detection and future trends, Biosensors and Bioelectronics. 173 (2021) 112777. https://doi.org/10.1016/J.BIOS.2020.112777.

[3] M. Kaisti, Detection principles of biological and chemical FET sensors, Biosensors and Bioelectronics. 98 (2017) 437–448. https://doi.org/10.1016/J.BIOS.2017.07.010.

[4] H. Ceylan Koydemir, H. Külah, C. Özgen, A. Alp, G. Hasçelik, MEMS biosensors for detection of methicillin resistant Staphylococcus aureus, Biosensors and Bioelectronics. 29 (2011) 1–12. https://doi.org/10.1016/J.BIOS.2011.07.071.

[5] E. Cesewski, B.N. Johnson, Electrochemical biosensors for pathogen detection, Biosensors and Bioelectronics. 159 (2020) 112214. https://doi.org/10.1016/J.BIOS.2020.112214.

[6] R. Ahmad, T. Mahmoudi, M.S. Ahn, Y.B. Hahn, Recent advances in nanowires-based field-effect transistors for biological sensor applications, Biosensors and Bioelectronics. 100 (2018) 312–325. https://doi.org/10.1016/J.BIOS.2017.09.024.

[7] H. Wang, Q. Luo, Y. Zhao, X. Nan, F. Zhang, Y. Wang, Y. Wang, D. Hua, S. Zheng, L. Jiang, L. Yang, B. Xiong, Electrochemical device based on nonspecific DNAzyme for the high-accuracy determination of Ca2+ with Pb2+ interference, Bioelectrochemistry. 140 (2021) 107732. https://doi.org/10.1016/J.BIOELECHEM.2020.107732.

[8] S.M. Majd, A. Salimi, B. Astinchap, The development of radio frequency magnetron sputtered ptype nickel oxide thin film field-effect transistor device combined with nucleic acid probe for ultrasensitive label-free HIV-1 gene detection, Sensors and Actuators B: Chemical. 266 (2018) 178–186. https://doi.org/10.1016/J.SNB.2018.03.111.

[9] P. Zhong, C.H. Liu, Y.T. Chen, T.Y. Yu, The Study of HIV-1 Vpr-Membrane and Vpr-hVDAC-1 Interactions by Graphene Field-Effect Transistor Biosensors, ACS Applied Bio Materials. 3 (2020) 6351–6357. https://doi.org/10.1021/ACSABM.0C00783/SUPPL_FILE/MT0C00783_SI_001.PDF.

[10] M.F. Fatin, A. Rahim Ruslinda, S.C.B. Gopinath, M.K.M. Arshad, High-performance interactive analysis of split aptamer and HIV-1 Tat on multiwall carbon nanotube-modified field-effect transistor, International Journal of Biological Macromolecules. 125 (2019) 414–422. https://doi.org/10.1016/J.IJBIOMAC.2018.12.066.

[11] B. Chakraborty, S. Ghosh, N. Das, C. RoyChaudhuri, Liquid gated ZnO nanorod FET sensor for ultrasensitive detection of Hepatitis B surface antigen with vertical electrode configuration, Biosensors and Bioelectronics. 122 (2018) 58–67. https://doi.org/10.1016/J.BIOS.2018.09.019.

[12] R. Ray, J. Basu, W.A. Gazi, N. Samanta, K. Bhattacharyya, C. Roychaudhuri, Label-Free Biomolecule Detection in Physiological Solutions with Enhanced Sensitivity Using Graphene Nanogrids FET Biosensor, IEEE Transactions on Nanobioscience. 17 (2018) 433–442. https://doi.org/10.1109/TNB.2018.2863734.

[13] J. Basu, C. Roychaudhuri, Graphene nanoporous FET biosensor: Influence of pore dimension on sensing performance in complex analyte, IEEE Sensors Journal. 18 (2018) 5627–5634.https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2841060.17

[14] S. Dolai, M. Tabib-Azar, Zika Virus Field Effect Transistor, IEEE Sensors Journal. 21 (2021) 4122–4128. https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3029535.

[15] R.N. Dalila, M.F. Azman, M. Rajaahmoorthi, M.K.M. Arshad, M.F.M. Fathil, M.M. Nuzaihan, N.A. Parmin, Silicon-on-insulator FET biosensor for dengue DNA complementation, AIP Conference Proceedings. 2045 (2018) 020037. https://doi.org/10.1063/1.5080850

Responsável: Alexandre Jean René Serres (UFCG)

Email: alexandreserres@dee.ufcg.edu.br

Resumo: O monitoramento de falhas em equipamentos de alta tensão de subestações não é simples. Tomando os transformadores como exemplo, sua estrutura metálica dificulta a implementação de técnicas não invasivas para detecção de falhas, além das interferências eletromagnéticas, como sinais de TV digital e descargas corona, que podem comprometer o monitoramento das subestações. Muitas dessas falhas são precedidas por descargas parciais internas aos equipamentos, sendo importante a detecção deste tipo de evento pelo sistema de monitoramento.

As falhas nos equipamentos de alta tensão das subestações podem incorrer em grande risco, ocorrendo derramamento de líquido isolante, estilhaçamento da porcelana ou de outras partes do equipamento que podem atingir e danificar outros equipamentos do sistema de transmissão, ou também atingir pessoas nas proximidades.

Técnicas padronizadas para detecção e monitoramento apresentam limitações quando implementadas em campo. Visando a aplicação no monitoramento de falhas em subestações, a técnica via método radiométrico tem se mostrado bastante promissor, pois permite um monitoramento contínuo e não invasivo dos equipamentos de alta tensão, assim como um baixo custo de implementação. A possibilidade de localização da origem da falha e a imunidade ao ruído de baixa frequência impulsionam a utilização desse método que foi inicialmente aplicado em subestações isoladas a gás. As antenas constituem um componente importante nos sistemas de monitoramento radiométrico de detecção de falhas em equipamentos de alta tensão, porem apresenta dimensões importantes devido as faixas de frequências. Por isso, é importante que sejam desenvolvidas novas estruturas compactas, utilizando técnicas de miniaturização de antenas, para aprimorar os sistemas de detecção atuais.