En muchas aplicaciones industriales y medioambientales, determinar el tamaño y la distribución de las partículas microscópicas es fundamental. Por ejemplo, en la industria farmacéutica, La medición y el control en línea de partículas que contienen varios ingredientes químicos (antes de la consolidación en tabletas) pueden mejorar de manera crítica el rendimiento y la calidad del producto médico final. También, el aire que respiramos, el agua que bebemos y los alimentos que comemos también pueden contener muchos tipos de partículas nocivas para la salud, que luego es crucial de detectar para nuestra salud y bienestar.

En un nuevo artículo publicado en Ciencia y aplicación de la luz , un equipo de científicos e ingenieros europeos de ICFO e IRIS en España, Ipsumio B.V. en los Países Bajos, la Universidad Técnica de Dinamarca, la Technische Universität Dresden en Alemania y la Universidad de Leeds en el Reino Unido, ha desarrollado un nuevo analizador de tamaño de micropartículas combinando productos electrónicos de consumo e inteligencia artificial. El dispositivo, un orden de magnitud más pequeño en términos de tamaño, peso y costo, mide el tamaño de partícula con una precisión comparable a la de los analizadores de tamaño de partícula basados ​​en luz comercial al menos.

"El proyecto financiado por la UE ProPAT tenía como objetivo ofrecer nuevos sensores para aplicaciones industriales. La innovación desarrollada por ICFO es un gran ejemplo de este tipo de sensor. Los comentarios de las pruebas a escala piloto en condiciones del mundo real y las industrias finales trasladaron el sensor de un dispositivo de laboratorio a aplicabilidad potencial en entornos industriales, "dice Frans Muller, profesor de ingeniería de procesos químicos en la Universidad de Leeds y director técnico de ProPAT.

Convencionalmente Los analizadores de tamaño de partículas (PSA) basados ​​en difracción láser (LD) se utilizan ampliamente para medir el tamaño de partículas desde cientos de nanómetros hasta varios milímetros. En tales dispositivos, la luz láser enfocada en una muestra de partículas diluidas produce un patrón de difracción (dispersión), medido por una serie de detectores de luz y convertido a una distribución de tamaño de partícula utilizando una teoría de dispersión bien establecida. Estos dispositivos son precisos y fiables pero grandes (cada dimensión es del orden de medio metro), pesado (decenas de kg) y caro (a menudo cuesta del orden de cien mil dólares o más). Además, su complejidad, junto con el hecho de que a menudo requieren mantenimiento y personal altamente capacitado, hacerlos poco prácticos, por ejemplo, en la mayoría de aplicaciones industriales en línea, que requieren la instalación de sondas en entornos de procesamiento, a menudo en múltiples ubicaciones.

El PSA recientemente desarrollado funciona en una configuración de haz colimado utilizando un simple diodo emisor de luz (LED) LED y un sensor de imagen de semiconductor de óxido metálico (CMOS), similares a los que se utilizan en los teléfonos inteligentes. La innovación clave es el pequeño filtro espacial angular (ASF) hecho con una serie de orificios con diferentes diámetros que se extruye a partir de una varilla de polímero. Al iluminar la muestra objetivo, la luz se dispersa y pasa a través del ASF hacia el sensor. La luz recolectada de orificios de diferentes tamaños es representativa de un conjunto diferente de ángulos de dispersión. Un modelo de aprendizaje automático (ML) ad hoc convierte la imagen del sensor en tamaño de partículas. El mismo dispositivo se puede convertir fácilmente en un medidor de neblina, un instrumento esencial para caracterizar muchos materiales ópticos.

"Es muy emocionante ver cómo una simple combinación de componentes fotónicos de consumo, como un LED y la cámara de un teléfono, un filtro angular innovador fabricado con extrusión de fibra de cristal fotónico escalable en masa y procesamiento de datos de aprendizaje automático nos ha permitido hacer un compacto, dispositivo barato y preciso, "dice Rubaiya Hussain, primer autor del artículo y Ph.D. candidato en el grupo de Optoelectrónica del ICFO.

Para validar el nuevo PSA, Se probaron mezclas de agua y perlas de vidrio con tamaños en el rango de 13 a 125 micrómetros en varias concentraciones de proceso en dispersiones líquidas. Los sistemas de difracción láser no pueden medir concentraciones tan altas, ya que la luz se dispersa varias veces, lo que genera patrones de dispersión que no se pueden convertir en tamaños de partículas. Utilizando el algoritmo de aprendizaje automático de bosque aleatorio, los datos del nuevo dispositivo podrían analizarse con éxito, aumentando el rango de trabajo de tamaños de partículas y concentraciones que se pueden medir.

"Utilizamos el dispositivo PSA construido en ICFO en Barcelona para recopilar datos de diferentes rangos de tamaño de partículas y concentraciones de perlas de vidrio estándar. De acuerdo con los resultados obtenidos y nuestra experiencia, nos complació ver que la precisión de un pequeño% del tamaño de partícula de volumen medio (D50) es comparable con otras técnicas de medición (por ejemplo, LD) en un rango de micrómetros, "dice el Dipl.-Ing. Rodrigo R. Retamal Marín, investigador del grupo de Ingeniería de Procesos Mecánicos de la Technische Universität Dresden.

También se están diseñando mejoras futuras en el hardware óptico. En particular, se están llevando a cabo una mayor optimización del componente innovador de ASF y métodos de captura de datos refinados, para producir más grande, conjuntos de datos de mayor fidelidad para el algoritmo de aprendizaje automático. El trabajo futuro también incluirá el análisis de partículas no esféricas, recolectados con sistemas de alimentación de muestras bien diseñados para mediciones tanto en seco como en húmedo, lo que lleva a un análisis de alta precisión para una gama de sistemas de relevancia industrial.

"Tenemos la intención de utilizar la flexibilidad inherente del diseño simple y el bajo costo de hardware de nuestro PSA patentado para aplicaciones específicas, por ejemplo, monitoreo en línea o en línea, y buscamos socios de diversas industrias e instituciones de investigación, "dice Valerio Pruneri, Profesor ICREA en ICFO y autor principal del trabajo.