ES2555161B1

ES2555161B1 - Procedimiento de medida de la concentración de epecies químicas

Info

Publication number: ES2555161B1
Application number: ES201400514A
Authority: ES
Inventors: José Miguel GARCÍA PÉREZ; Félix Clemente GARCÍA GARCÍA; Saúl Vallejos Calzada; César REPRESA PEREZ; José María CÁMARA NEBREDA; Iván ROS SANTAOLALLA
Original assignee: Universidad de Burgos
Current assignee: Universidad de Burgos
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-10-07
Anticipated expiration: 2034-06-24
Also published as: ES2555161A1

Abstract

Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas de interés industrial, medioambiental o biomédico a través del procesado de los valores RGB de una fotografía digital tomada conjuntamente a un sensor colorimétrico y a un sistema de patrones de referencia. Se posibilita que un usuario sin especialización con un dispositivo con cualquier tipo de cámara, con capacidad de proceso de datos, lleve a cabo el análisis de cualquier especie química de interés, por ejemplo hierro en sangre. Se posibilita la eliminación del ruido ambiental, permitiendo el análisis correcto desde el punto de vista químico a partir de una fotografía tomada bajo cualquier condición lumínica y con cualquier tipo de cámara. Igualmente relevante es que el dispositivo que se utiliza es comercial y no requiere de ninguna adaptación, únicamente del algoritmo que ejecuta el procedimiento en su parte de extracción de los datos de la fotografía y análisis posterior.

Description

Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas

s

Objeto de la invención

10 lS: La presente invención se refiere a un procedimiento de medida de concentraciones de especies químicas mediante un análisis químico para verificar y controlar la concentración de especies químicas de interés industrial, medioambiental o biomédico a través del procesado de los valores RGB de una fotografía digital tomada sobre sensores calorimétricos que han sido puestos en contacto con disoluciones con una concentración conocida de una determinada especie química (un sistema de referencia de disoluciones patrón) y con disoluciones con una concentración desconocida (disoluciones problema), que se desea medir, de la misma especie quimica .

Los sensores colorimétricos químicos, bien como materiales sólidos o en disolución, tienen la característica de cambiar de color ante la presencia de las especies químicas de interés.

20 25: Dichos sensores colorimétricos sólidos pueden ser puestos en contacto con la disolución que contiene la especie química, ya sea por inmersión del sensor colorimétrico en la disolución, o bien por deposición de una muestra de la disolución sobre el sensor calorimétrico sólido. En el caso de sensores colorimétricos en disolución, se introduce una muestra de la disolución que contiene la especie química a analizar, en un vial o cubeta conteniendo la disolución de sensor calorimétrico.

30: El procesado digital automático de la fotografía tomada sobre los sensores calorimétricos que se han puesto en contacto con las disoluciones patrón y con las disoluciones problema, ofrece como salida la concentración de la especie de interés en la unidad que el usuario defina, por ejemplo partes por millón o molaridad, así como información sobre los límites en los que se encuentra la concentración, bien sean legales o aconsejables, es decir, si se está entre, por encima o por debajo de estos

límites. Asimismo la presente invención ha previsto almacenar un registro de los análisis realizados de cara al estudio posterior de los resultados o a su re-evaluación, conjuntamente con las coordenadas de latitud y altitud que identifican el lugar físico en el que se ha realizado el análisis.

La toma de la fotografía se hace directamente, sin condiciones lumínicas específicas ní precauciones, por lo que cualquier usuario la puede llevar a cabo, y es independiente del tipo de camara digital utilizado. Esto es así porque se fotografía a la vez el sensor calorimétrico que se ha puesto en contacto con la muestra de disolución problema y los sensores colorimétricos que se han puesto en contacto con las muestras de disoluciones patrón, llevando a cabo un calibrado can cada fotografia.

Asimismo, el procesamiento de los datos es automático, por lo que no se requiere de experiencia analítica ni de tratamiento de datos. El procesamiento digital reconoce la forma de las muestras de disoluciones patrón y de disolución problema en cada sensor calorimétrico, asignando la concentración de referencia a los primeros, para llevar a cabo un calibrado empleando componentes principales de los valores RGB de cada disolución patrón; se transforman las tres variables RGB del color mostrado por cada muestra de disolución patrón en contacto con material sensor calorimétrico, en una componente principal, como vía de aglutinar la información RGB en una única variable para cada muestra de disolución patrón, reduciendo además el ruido.

Se calibra así el sistema de medida mediante el correspondiente ajuste de curvas y posteriormente se calcula la concentración de la especie química a analizar en la disolución problema, por extrapolación de la curva ajustada anteriormente a la componente principal de los valores RGB correspondientes a la muestra de disolución problema. Altemativamente, el calibrado y la extrapolación de la medida se pueden llevar a cabo teniendo en cuenta únicamente uno o dos de los parámetros RGB, o una combinación matemática de alguno o todos ellos.

Problema técnico a resolver y Antecedentes de la invención

La utilización de sensores químicos o quimiosensores en la determinación de especies química de interés es una tecnología madura de valoración y cuantificación de especies químicas en laboratorio de rápida evolución tecnológica (José M. García,

Félix C. Garcia, Felipe Serna, José L. de la Peña, "Fluorogenic and Chromogenic

Polymer Chemosensors", Polymer Reviews 2011 , 51 , 341-390; R. Martinez-Máñez, F.

Sancenón, "Fluorogenic and chromogenic chemosensors and reagents for anions",

Chemical Reviews 2003, 103, 4419-4476).

s

Por otra parte, el desarrollo novedoso de sensores calorimétricos poliméricos sólidos,

en forma de película, y fácilmente manejables, por parte del Grupo de Polímeros de la

Universidad de Burgos ha conducido al diseño de materiales sensores que permiten la

determinación cualitativa de la concentración de varias especies químicas de forma

10: visual y cuantitativamente mediante diversas técnicas analíticas, incluyendo el análisis

por color de fotografías digitales mediante tratamiento estadfstico y numérico de los

datos (S. Vallejos, A. Muñoz, S. Ibeas, F. Serna, F. C. Garcia, J. M. Garcia, "Salid

sensory polymer substrates far the quantification of iron in blood, wine and water by a

scalable RGB technique", Journal of Materials Chemistry 2013, 1, 15435-15441; J. L.

15: Pablos, M. Trigo-López, F. Serna, F. C. Garcia, J. M. Garcia, "Water soluble polymers,

solid polymer membranes, and coated fibres as smart sensory materials for the nak.ed

eye detection and quantification of TNT in aqueous media~, Chemical Communications

2014, 50, 2484-2487; patente solicitada J. L. Pablos, M. Trigo, S. Vallejos, M. A.

Muñoz, L.A. . Sarabia, M.C Ortiz, A. Mendía, F.C. Garda, F. Sema, J.M. García,

20: "Materiales pol iméricos sólidos para la detección fluorogénica de explosivos

nitroderivados y utilización de los mismos", N. de solicitud: P201400073, Año de

solicitud: 2014).

Al llevar a cabo estos desarrollos se hicieron patentes dos hechos: a) el potencial de

25: este tipo de materiales en análisis químico; b) la necesidad de un sistema automático

que llevara a cabo un análisis quimico empleando los materiales sensores a partir de

una simple fotografía para que pudiera utilizarse in situ, por cualquier persona, sin

especialización, por tanto, y que ofreciera información finalista tanto para este tipo de

usuario como para otros especializados; es decir, que además de aportar una

30: concentración cuantitativa informara sobre si ésta se encontrara dentro de los límites

adecuados, que pueden ser legales o recomendables, en función del ámbito de

aplicación de la medida. En este marco, también se hizo patente la ventaja que

supondría el registro automático de todos los análisis, junto con el lugar de rea lización,

para su posterior re-evaluación o elaboración de mapas de concentración de especies químicas en regiones de interés.

Tradicionalmente se vienen utilizando con éxito los sensores químicos ópticos, tanto los que se basan en variaciones de fluorescencia como en color, en valoración y cuantificación de especies químicas de interés en el laboratorio. La cuantificación requiere de un conocimiento profundo del sistema sensor, así como de una alta especialización tanto de los equipos científicos que se utilizan para llevar a cabo las medidas, específicamente espectrofotómetros de ultravioleta/visible y fluorímetros, como de tratamiento de datos por métodos matemáticos, y concretamente estadísticos. Un ejemplo característico de productos sensores que requieren de estas características para su utilización lo representa la empresa Ursa Bioscience (WI/rNrI. ursa biosci ence.com).

Por otra parte, existen numerosos kits sensores colorimétricos comercializados, como los 'Test Kits" de la empresa Hanna instruments (http://wwIN.hannainst.es/catalogo). que se basan en un sistema de reactivos que producen un cambio de color en función de la concentración de, por ejemplo, hierro, cloro, cobre, y otros en agua, y contraste visual con una escala de color, o como los "Kits de ensayo colorimétricos" de Merck Millipore para aguas Aquamerck®, Microquant® y Aquaquant® para análisis de dureza, nitratos, nitritos, fosfato, etc. (http://www.merckmillipore.es/chemicalsl colorimetric-test-kits/spanish/ c_JxWb.s10MaIAAAEdThBRbT5Y), o los de ensayo para el análisis de aguas como kits rápidos y maletas de reactivos Visocolor®, de la empresa Macherey-Nagel (http://www.mn-net.coml). El cambio de color en estos kits se contrasta visualmente con unos patrones para que el usuario tenga información cualitativa o semi-cuantitativa de concentraciones de especies o rangos de concentración. El ejemplo más extendido y característico serian las tiras de papel indicador para el control visual del pH.

Por tanto, la utilización de los sensores químicos como método cuantitativo de determinación de concentraciones actualmente requiere, abreviadamente, un laboratorio químico dotado con espectrofotómetros, su mantenimiento, personal especializado en análisis químico y/o clínico, y recogida de muestra y traslado al laboratorio, que supone un elevado coste en relación con el proceso y con el tiempo entre muestreo y resultados. Altemativamente, la utilización de los kits comerciales conlleva una valoración subjetiva del color por parte del usuario y la confrontación contra una escala que dará lugar a un valor numérico necesariamente cualitativo que ha de interpretarse en el contexto del análisis, por lo que requiere asimismo de cierta especialización .

Descripción de la invención

La presente invención se refjere a un procedimiento de medida de la concentración de especies químicas.

Como paso previo al procedimiento objeto de la presente invención, se requiere realizar las siguientes acciones:

tomar muestras de al menos dos disoluciones patrón cuya concentración de una determinada especie química a medir, resulta conocida; poner en contacto dichas muestras de disoluciones patrón con al menos

un primer sensor químico colorimétrico, susceptible de colorearse en relación directa con la concentración de la especie quimica a medir, contenida en cada una de las muestra de disolución patrón; tomar al menos una muestra de al menos una disolución problema, cuya concentración de la especie química a medir resulta desconocida; poner en contacto cada muestra de disolución problema con al menos un segundo sensor calorimétrico, de las mismas características colorimétricas que el primer sensor químico colorimétrico, susceptible de colorearse en relación directa con la concentración de la especie química a medir, contenida en la muestra de disolución problema.

A continuación, el procedimiento de la presente invención introduce las siguientes fases novedosas:

tomar al menos una fotografía de cada primer sensor calorimétrico

puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y al menos una fotografía del segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de disolución problema;

•

extraer, mediante un dispositivo con capacidad de procesamiento de imágenes, un valor representativo del color, mostrado en las fotografías,

de cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y un valor representativo del color del segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de disolución problema; asociar a cada valor representativo del color de cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón, el valor conocido de concentración de la especie química a medir en cada una de las disoluciones patrón; determinar estadísticamente una expresión matemática que relacione entre sí los valores representativos del color de cada primer sensor colorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón, junto con sus correspondientes valores de concentración de la especie química a medir; determinar, mediante interpolación de la expresión matemática obtenida en el paso anterior, el valor de concentración de la especie química a medir en la disolución problema, correspondiente con el va lor representativo del color del segundo sensor colorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución problema.

En una realización preferente del presente procedimiento, la fase de extracción de un valor representativo del color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución problema, comprende:

a.: extraer los parámetros RGB relativos al color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución problema;

b.: determinar, mediante un procedimiento de análisis estadístico, un valor representativo de los parámetros RGB asociados al color, mostrado en

las fotografías, de cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto con las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución problema.

S: Para este proceso, se emplea previamente un algoritmo de reconocimiento de los bordes de las imágenes de las muestras de disoluciones patrón y disoluciones problema en contacto con los materiales sensores de cada sensor colorimétrico.

10: Un algoritmo de este tipo (convencional en el estado de la técnica de reconocimiento de imágenes), permite analizar el color de cada una de las zonas delimitadas por los bordes reconocidos.

15: Por su parte, la determinación de un valor representativo de los parámetros RGB asociados al color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor colorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución problema, comprende:

20: calcular la covarianza mutua entre los parámetros RGB asociados al color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor colorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor colorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución problema;

calcular los autovalores y los autovectores asodados a la matriz de covarianza cuyos valores son las covarianzas calculadas en la fase anterior;

25: determinar el autovector representativo, como aquel autovector asociado al autovalor de mayor valor absoluto calculado en la fase anterior;

30: calcular, para cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y para el segundo sensor colorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución problema, los valores absolutos de las proyecciones de sus autovectores asociados, calculados en la fase anterior, sobre el autovector representativo determinado en la fase anterior;

•

determinar, para cada muestra de disolución patrón y de disolución problema, el mayor de los valores absolutos calculados en la fase anterior;

5 establecer cada mayor de los valores absolutos determinado en la fase anterior, respectivamente como valor representativo de los parámetros RGB asociados al color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con

10 la muestra de la disolución problema,.

A su vez, en una realización preferente de la presente invención, la fase de determinación estadística de una expresión matemática que relacione entre sí los valores representativos del color de cada primer sensor colorimétrico puesto en

15 contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón, junto con sus correspondientes valores conocidos de concentración de la especie química (a medir en la disolución problema), comprende:

obtener una curva experimental resultante de unir entre sí puntos asociados a

20 cada muestra de disolución patrón, donde los valores de las coordenadas de cada uno de dichos puntos en unos ejes de coordenadas son respectivamente el valor representativo del color, mostrado en las fotografías, del primer sensor colorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución patrón asociada a dicho punto y el valor conocido de la concentración de la especie

25 química a medir en dicha muestra de disolución patrón:

determinar, mediante un procedimiento de asimilación por mínimos cuadrados

o regresión lineal, una expresión matemática que represente una curva que se asemeje lo máximo posible a la curva experimental obtenida en la fase anterior.

Según una pnmera forma de realización, el primer sensor calorimétrico y el segundo sensor calorimétrico estan compuestos por discos que comprenden materiales reactivos cromogénicos sólidos.

Según una segunda forma de realización, el primer sensor colorimétrico y el segundo sensor calorimétrico están compuestos por disoluciones de materiales reactivos cromogénicos que se introducen en viales o cubetas de material transparente o traslúcido.

S 10: El procedimiento objeto de la presente invención prevé que la toma de al menos una fotografía del primer sensor calorimétrico y del segundo sensor colorimétrico se realice mediante un dispositivo móvil con procesador integrado de imágenes, que se encarga de tomar la fotografía del primer sensor calorimétrico puesto en contacto con las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de la disolución problema y determinar el valor de concentración de la especie química a medir en la disolución problema.

Dicho dispositivo móvil puede tratarse de un teléfono móvil inteligente (Smartphone) o una tableta.

15: De esta manera, el procedimiento puede ser ejecutado automáticamente mediante dicho dispositivo móvil, de manera que un usuario sin conocimientos de química ni práctica en la medida de especies químicas disueltas pueda llevar a cabo la medida en cualquier tipo de condiciones ambientales y de iluminación del entomo, sin más que fotografiar los sensores colorimétricos tras haberlos puesto en contacto con las muestras de disoluciones patrón y disoluciones problema.

20: En una realización preferente de la invención, en la fase de toma de fotografías, el dispositivo móvil registra junto con los valores de concentración de las especies quimicas a medir en las disoluciones problema, también los datos relativos a la fecha, la hora, la latitud, la longitud y [a altitud del momento y del lugar en donde se realiza la prueba.

25: Alternativamente, si la medida de la concentración de una especie química se realiza sobre el cuerpo de un paciente, el dispositivo móvil registra junto con los valores de concentración de las especies quimicas a medir en las disoluciones problema, también los datos relativos a la fecha, la hora y la región anatómica en que se realiza la prueba.

30: En cualquiera de los casos mencionados anteriormente, se prevé que el dispositivo móvil ofrezca una representación de un mapa de concentraciones sobre una superficie

o región geográfica o anatómica dada, junto con la variación de concentraciones de las especies químicas a medir en un periodo determinado.

El procedimiento objeto de la presente invención comprende típicamente comparar los resultados obtenidos del valor de la concentración de una determinada especie química en una disolución problema con unos valores límites característicos contenidos en una base de datos, donde, a resultas de la comparación anterior, se determina si la concentración de una determinada especie química en una disolución problema se encuentra por encima o por debajo de dichos límites característicos. De esta manera se puede determinar si una concentración detectada se encuentra dentro de los límites legales y/o aconsejables.

La presente invención tiene como características clave que el análisis se realiza a traves de la evaluación de las variaciones de color mediante la toma de una fotografía, y que se elimina la interferencia del tipo y características de la cámara, del ambiente lumínico así como del usuario mediante la toma conjunta de la fotografía con el sistema de referencia de muestras de disoluciones patrón y con las muestras de disoluciones problema, junto con el calculo de la curva de calibrado para cada medida, es decir, con cada fotografia.

Asimismo la invención consiste en el tratamiento de los datos del análisis y su confrontación frente a datos relevantes de concentración tabulados para indicar si la concentración medida sobrepasa, es inferior, o se encuentra entre estos datos de referencia, que bien pueden ser límites legales o recomendados para determinadas aplicaciones industriales, medioambientales o biomédicas.

Asimismo la invención consiste en el registro automático de la altitud y latitud a la que se ha llevado a cabo el análisis para que junto con los resultados del análisis, se tengan también los datos del lugar en los que se han obtenido, para completar el análisis y elaborar mapas de concentración sobre mapas físicos.

El análisis de las variaciones de color en cada foto que contiene la referencia de disoluciones patrón y la muestra de disolución problema se lleva a cabo mediante procesado de los valores RGB del material sensor calorimétrico puesto en contacto

con las disoluciones, tanto de la muestra de disolución problema como del sistema de

referencia de muestras de disoluciones patrón.

Preferentemente, y de forma no limitante ante otros tratamientos matemáticos, el

S: anállsis de los tres datos RGB (rojo , verde y azul) de cada uno de los sensores

quimicos calorimétricos incluidos en cada fotografía (que incluyen la muestra de

disolución problema y el sistema de referencia de muestras de disoluciones patrón) se

realiza reduciendo las tres variables RGB de cada punto sensor a una sol a variable ,

mediante componentes principales. Con la componente principal y la concentración de

10: la especie química de interés en los distintos materiales sensores que incluyen la

referencia se construye la recta XY de calibrado, por ajuste lineal o no lineal, que

permite extraer la información de concentración de la especie química en la muestra

de disolución problema depositada en el sensor colorimetrico. Esta información se

puede obtener, asimismo, con calibrados empleando directamente alguno de los

15: parámetros RGB, o una combinación de ellos.

Obtenida la información de la concentración, ésta se registra, preferentemente de

manera automática mediante un dispositivo móvil, junto con las coordenadas de altitud

y latitud a las que se ha llevado a cabo el análisis. Además, esta concentración se

20: puede comparar automáticamente con los datos relevantes de concentraciones para la

especie quimica de interés y el medio, dando como resultado una información

cualitativa de la misma que, a modo de ejemplo, puede ser de pasa/no pasa,

cumple/no cumple, fuera/dentro de rango, dentro/tuera del limite legal, dentro/fuera del

lím ite aconsejable, etc.

25

El procedimiento objeto de la presente invención es susceptible de implementarse

mediante una aplicación en un dispositivo móvil, que puede conectarse a una base de

datos remota en la que se disponga de datos relevantes de concentraciones para

nu evas especies químicas, así como posibles actualizaciones de los existentes a

30: nuevos valores o a diferentes lugares del mundo.

Asimismo, el procedimiento permite el análisis remoto de las fotografías tomadas por

un dispositivo móvil, de manera que el análisis se produce en un dispositivo diferente

y/o situado a una cierta distancia del lugar en el que han sido tomada s las fotografías

de los sensores calorimétricos que se han puesto en contacto con las disoluciones

patrón y/o con las disoluciones problema.

La presente invención presenta la ventaja, frente al mencionado estado de la técnica,

S: consistente en que el análisis se puede realizar automáticamente a partir de la loma

de una fotografía realizada sobre un sensor calorimétrico que se ha puesto en

contacto con la muestra de la especie química en disolución a medir, o disolución

problema, y en un sistema de referencia que consiste en sensores calorimétricos

puestos en contacto con disoluciones patrón de la especie química en cuestión; es

10: decir para la medida de cada especie química es necesario un sistema de referencia

patrón especifica mente diseñado para dicha especie química.

Además, el sistema de referencia de muestras de disoluciones patrón puestas en

contacto con el primer sensor calorimétrico puede estar elaborado previamente, por lo

15: que la medida de la muestra de disolución problema se realiza simplemente poniendo

en contacto esta muestra disolución problema con el segundo sensor calorimétrico y

realizando la fotografía sobre ambos sensores colorimétricos.

Por lo tanto, preferentemente el usuario interviene únicamente en la puesta en

20: contacto del sistema sensor con la disolución problema y en la toma de esa fotografía,

y esta toma la puede llevar a cabo cualquier persona sin conocimiento de química, ni

de análisis, ni siquiera de fotografía/óptica.

La influencia del tipo de cámara, condiciones de iluminación, usuario, etc., se eliminan

25: mediante la realización automática de la curva de calibrado con cada foto a analizar,

que incluye tanto el sistema de referencia de muestras de disoluciones patrón puestas

en contacto con el primer sensor colorimétrico como el segundo sensor calorimétrico

puesto en contacto con la muestra de disolución problema, lo que representa la clave

de la democratización del sistema de análisis. Además, el resultado del análisis se

30: ofrece en términos cuantitativos, que se registra y es útil para valoración posterior, así

como para una persona más especializada, y para un estudio de conjunto y de mapas,

y cualitativamente indicando si el resultado, por ejemplo, se encuentra dentro de los

límites legales, si una determinada agua es potable en relación con la especie química

a valorar, o si se está dentro de los límites convencionales en un análisis biológico.

Por otra parte, se registran los resultados para posteriores evaluaciones, reevaluaciones o seguimientos de evolución, o establecimiento de mapas de concentración a través de la indicación de la región anatómica o geográfica por coordenadas de latitud y altitud de cada pareja de fotografía/análisis.

En resumen, las ventajas que presenta frente a las soluciones existentes son:

•: permite realizar medidas de especies químicas in situ y sin intervención del usuario en el análisis de los datos. Dicho análisis se puede llevar a cabo de forma totalmente automatizada;

•: se evita la introducción de errores en la medida debido a las condiciones ambientales existentes y debidas al propio dispositivo fotográfico empleado, ya que la imagen capturada engloba tanto al sistema de referencia formado por el primer sensor calorimétrico puesto en contacto con las muestras de disoluciones patrón, como al segundo sensor colorimétrico puesto en contacto con la muestra de disolución problema, por lo que cualquier error o desviación introducido afecta por igual al sistema de referencia y al segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de disolución problema, ya que el análisis se lleva a cabo por comparación de los parámetros RGB del segundo sensor calorimétrico en contacto con la muestra de disolución problema frente al primer sensor calorimétrico en contacto con las muestras de las disoluciones patrón. Por tanto, estas desviaciones o errores no afectan al resultado final del análisis;

•: se permite realizar el análisis de la especie quimica en tiempo real;

•: se permite que dicho análisis sea llevado a cabo por cualquier persona que

disponga de un dispositivo fotográfico sin necesidad de que se trate de personal especializado, al realizarse de forma digital y automática, y;

•: se permite una gran disminución de costes en relación a las técnicas de cuantificación fotométricas convencionales.

Breve descripción de las figuras

5: Como parte de la explicación del modo de realización de la invención se han incluido una serie de figuras cuya explicación es la siguiente: Figura1.Muestra un diagrama de flujo de un ejemplo de realización del procedimiento de medida de la concentración de especies químicas objeto de la presente invención.

10: Figura 2.-Muestra un ejemplo de realización con el sistema de referencia formado por el primer sensor colorimétrico puesto en contacto con cinco muestra s de disoluciones patrón (P1 a P5) y el segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con una muestra a analizar de disolución problema (P) insertada perpendicularmente a éL

1S: Figura 3.-Muestra un dispositivo móvil con cámara fotográfica integrada, mostrando la imagen del sistema de referencia con las muestras de disoluciones patrón, y la muestra de disolución problema (P).

20: Figura 4.-Muestra las formas reconocidas resultantes durante la fase de detección de bordes del procedimiento objeto de la presente invención .

25 30: Figura 5.-Muestra las gráficas resu ltantes de un ajuste por mínimos cuadrados de Jos puntos cuyas coordenadas se corresponden con las concentraciones conocidas de la especie química a medir en el sistema de referencia de disoluciones patrón, y con la componente principal de los parámetros RGB de cada una de las muestras de disoluciones patrón, obtenida a partir del analisis de una imagen del primer sensor co lorimétrico capturada por el dispositi vo móvil. Este ajuste puede ser lineal o cuadrático, siendo el de menor error el utilizado para obtener el valor de la concentración problema. Asimismo se observa el punto correspondiente a la muestra de disolución problema en contacto con el segundo sensor colorimétrico; la coordenada de este punto relativa a la concentradón de la especie química a medir en la disolución problema se obtiene por interpolación de la gráfica obtenida por mínimos cuadrados o por regresión lineal.

Figura 6.-Muestra las gráficas resultantes de un ajuste por mínimos cuadrados de los

puntos cuyas coordenadas se corresponden con las concentraciones conocidas de la

especie química a medir en el sistema de referencia de disoluciones patrón, y con la

componente principal de los parámetros RG8 de cada una de las muestras de

S: disoluciones patrón, obtenida a partir del análisis de una imagen del primer sensor

calorimétrico capturada por el dispositivo móvil en condiciones de iluminación distintas

a las utilizadas para la Figura 5. Este ajuste puede ser lineal o cuadrático, siendo el de

menor error el utilizado para obtener el va lor de la concentración problema. Asimismo

se observa el punto correspondiente a la muestra de disolución problema en contacto

10: con el segundo sensor calorimétrico; la coordenada de este punto relativa a la

concentración de la especie química a medir en la disolución problema se obtiene por

interpolación de la gráfica obtenida por mínimos cuadrados o por regresión lineal.

Figura 7.-Muestra una tabla representando datos de los parámetros RGB (y sus

15: componentes principales) del primer sensor calorimétrico, puesto en contacto con

cada una de las muestras de disoluciones patrón. Asimismo, muestra los parámetros

RGB (y su componente principal) del segundo sensor colorimétrico puesto en contacto

con la muestra de disolución problema, así como el resultado del cálculo de la

concentración de la especie quimica a medir en dicha disolución problema, obtenido

20: mediante interpolación de la gráfica obtenida por regresión lineal o por mínimos

cuadrados, a partir de los puntos representativos de las muestras de disoluciones

patrón.

Figura 8.-Muestra, para las mismas muestras utilizadas en el ejemplo de la Figura 7,

25: pero tomando la fotografía de las muestras bajo otras condiciones ambientales, una

tabla representando datos de los parámetros RGB (y sus componentes principales) del

primer sensor cOlorimétrico, puesto en contacto con cada una de las muestras de

disoluciones patrón. Asimismo, muestra los parámetros RGB (y su componente

principal) del segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de

30: disolución problema, así como el resultado del cálculo de la concentración de la

especie química a medir en dicha disolución problema, obtenido mediante

interpolación de la gráfica obtenida por regresión lineal o por mínimos cuadrados, a

partir de los puntos representativos de las muestras de disoluciones patrón.

35: Descripción detallada

,.

El diagrama de flujo de la Figura 1 muestra las diferentes etapas en las que se divide el procedimiento de medida de la concentración de especies químicas de interés biomédico, medioambiental e industrial.

s 10: En un primer momento se procede a la captura de la imagen que contiene un segundo sensor colorimetrico (2), que se ha puesto en contacto con la disolución problema, disolución que con tiene una concentración desconocida de una determinada especie química cuya concentración se desea medir. Preferentemente, se toma una fotografía de dicho segundo sensor calorimétrico (2) (en contacto con la disolución problema), superpuesto sobre un primer sensor calorimétrico (1) en contacto con al menos dos muestras de disoluciones patrón, que contienen una concentración conocida de la mencionada especie quimica a medir.

l S: En el ejemplo de realización mostrado en la Figura 2, el primer sensor calorimétrico (1) contiene cinco pletinas, discos o porta-muestras circulares, con material sensor calorimétrico que ha entrado en contacto con disoluciones patrón con concentración conocida de una especie quimica cuya concentración se desea medir en la disolución problema.

20: Esta operación se realiza por defecto con la cámara integrada en el dispositivo móvil (3), aunque también es posible incorporar una imagen tomada con otro dispositivo fotográfico importado con formato en color RGB estándar. El resultado de esta operación se observa en la Figura 3.

2S 30: A continuación se procede al reconocimiento de las muestras, lo que incluye tanto las muestras de disoluciones patrón en contad.o con el primer senSor colorimétrico (1) , que en el ejemplo que ilustra la invención son 5, como la muestra de disolución problema en contacto con el material sensor del segundo sensor calorimétrico (2), tal como se observa en las Figuras 2 a 4. Para ello se emplea un algoritmo de detección de bordes que delimita los circulas correspondientes a cada muestra en muestras circulares. De igual forma se realizaría en muestras de otro formato o en muestra líquidas en viales o cubetas.

A continuación, una vez determinadas las regiones en las que se encuentra la información relevante, se extrae un valor representativo del color de cada uno de los materiales sensores que han entrado en contacto con las disoluciones patrón y

disolución problema.

Dicho proceso se realiza preferentemente mediante la extracción de Jos parámetros o componentes RGB correspondientes al color de cada muestra en contacto con el correspondiente material sensor. Dado que el color no es uniforme en cada muestra, se calcula un valor promedio en cada muestra para cada componente R, G o 8.

10 A continuación se busca un valor representativo de los parámetros RGB asociados al color de cada una de las muestras de disolución patrón y de disolución problema en contacto con su correspondiente sensor calorimétrico.

1S: El valor representativo de cada color, denominado en adelante como componente

principal de: ese color, se obtiene mediante un procedimiento estadístico estándar

conocido como análisis en componentes principales. Este análisis parte de la matriz de

covarianzas normalizadas, que es resultado del cálculo de las correlaciones entre los

canales RGB de cada muestra de disolución patrón. Siguiendo este procedimiento

20: estadístico se calculan los valores propios de la matriz de covarianzas y se extrae el

vector propio asociado al valor propio de mayor valor. Este vector propio sirve para

obtener la componente principal de cada muestra de color patrón sin más que calcular

el producto escalar entre dicho vector propio y los valores RGB de cada muestra.

25: La componente principal de cada una de las muestras de disolución patrón se asocia a

su: respectiva concentración de valor conocido lo que permite establecer una relación

funcional. Esta relación: se obtiene a partir de una regresión lineal o bien un ajuste

cuadrático, como se aprecia en la Figura 5, tomando finalmente el que proporcione un

menor error.

30

En el último paso, con la componente principal de la muestra de disolución problema o

muestra problema, se obtiene la concentración estimada a partir de la interpolación de

la relación funcional proporcionada por el ajuste anterior. Este es un cálculo preferente

pero no limitante para el cálculo de concentraciones a partir de los datos de RGB.

,.

El ejemplo siguiente es ilustrativo de la invención, no pretende ser limitan te, y describe la determinación de la concentración de hierro en medio acuoso de una muestra problema utilizando patrones de concentración conocida para la elaboración del calibrado.

Ejemplo 1. Calculo de la concentración de Fe(lIl) en medio acuosos empleando un sistema de 5 patrones.

Se parte de un sistema de 6 discos sensores de Fe(lU) elaborados según procedimiento publicado (S. Vallejos, A. Muñoz, S. Ibeas, F. Serna, F. C. García, J. M. García, "Salid sensory polymer substrates for the quantification of iron in bload, wine and water by a scalable RGB technique", Joumal af Materials Chemistry 2013, 1,

15435-15441 ).

De los 6 discos, 5 discos conforman el primer sensor calorimétrico (1), y están dispuestos en un soporte etiquetados como P1 a P5 (ver Figura 2 y tabla de la Figura 7) y se añaden sobre la superficie de cada disco 30 mL de una disolución de Fe(lIl) conocida, entre O y 6 ppm, (ver tabla mostrada en la Figura 7), tamponada a pH = 2. A continuación se añaden 30 mL de una disolución problema, con concentración desconocida de Fe(III), tamponada a pH = 2 sobre un disco sensor en un soporte separado, constituyendo el segundo sensor calorimétrico (2), que tras añadir la disolución se in serta perpendicularmente en el soporte de los patrones, tal como se muestra esquemáticamente en la Figura 2.

En este ejemplo se indica la preparación del patrón, que una vez preparado sirve para la realización de múltiples medidas. Este patrón puede además comercializarse.

La Figura 2 corresponde a la imagen a fotografiar por la cámara. En ella se puede distinguir el patrón de referencia y la muestra a analizar insertada perpendirularmente a él. Tras un proceso de detección de bordes se reconocen las muestras patrón y problema (Figura 3). A partir de las muestras detectadas se extraen sus valores RGB que se muestran en la tabla mostrada en la Figura 7.

Mediante un am3Jisis en componentes principales se reduce el numero de variables de 3 (R, G Y B) a una sola variable (CP1) de cada muestra. El análisis se realiza conjuntamente con las muestras de disoluciones patrón y con la muestra de disolución problema. La reducción de variables a una sola cumple dos funciones, por una parte

5 simplifica el ajuste posterior y la extrapolación para el cálculo de la concentración de la muestra problema y, por otra y más importante, supone una reducción importante de ruido con una pérdida mínima de información. Mediante un ajuste por mínimos cuadrados podemos establecer una relación funcional entre las concentraciones de la especie química en las muestras de disoluciones

10 patrón y la correspondiente componente principal de sus parámetros RGB. El ajuste que proporciona un menor error nos permite conocer el valor de la concentración de la especie química en la disolución problema, por extrapolación.

El resultado indica que la concentración de la muestra de disolución problema fue de 15 50.5 ppm, con un error inferior al 2% respecto a la concentración estimada por espectroscopia de absorción atómica, técnica analítica contrastada.

Es especialmente relevante indicar que este procedimiento, al calCular la curva de calibrado en cada medida con los datos de RGB tratados de las muestras de 20 disoluciones patrón, y extrapolar con los de la muestra de disolución problema, ofrece el mismo resultado en distintos dispositivos, condiciones ambientales y usuarios, eliminando estas interferencias y permitiendo emplear dispositivos electrónicos comerciales, sin ningún tipo de adaptación ni soporte. Es decir, los datos RGB de cada muestra variarán de un análisis a otro en función de las condiciones mencionadas,

25 pero la curva de valoración de estos datos con las concentraciones conocidas de las muestras de disoluciones patrón dará como resultado el mismo valor de concentración de la muestra de disolución problema.

Ejemplo 2. Cálculo de la concentración de la muestra de disolución problema del 30 Ejemplo 1 tomando la fotografia en distintas condiciones ambientales.

Para ilustrar la independencia del resultado con las condiciones ambientales, se realiza una fotografía con una cámara convencional en otras condiciones al sistema de análisis descrito en el Ejemplo 1: se importa en el dispositivo móvil (3) de análisis empleado en el Ejemplo 1, Y se procesa, dando como resultado el mostrado en la tabla de la Figura 8.

En las tablas de las Figuras 7 y 8, el valor de la concentración de la muestra de 5 disolución problema se mide mediante espectroscopia de absorción atómica para comprobar la bondad del resultado calculado.

El resultado indica que la concentración de la muestra de disolución problema fue de

49.96 ppm, con un error inferior al 1% respecto a la concentración estimada por 10 espectroscopia de absorción atómica, técnica analítica contrastada.

Se aprecia la concordancia con el resultado del Ejemplo 1.

"

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas que comprende:

tomar muestras de al menos dos disoluciones patrón cuya

concentración de una determinada especie química a medir, resulta

conocida;

poner en contacto respectivamente cada una de dichas muestras de

disoluciones patrón con al menos un primer sensor calorimétrico (1),

susceptible de colorearse en relación directa con la concentración de la

especie química a medir, contenida en cada muestra de disolución

patrón;

tomar al menos una muestra de al menos una disolución problema,

cuya concentración de la especie química a medir resulta desconocida;

poner en contacto cada muestra de disolución problema con al menos

un segundo sensor colorimétrico (2), de las mismas caracteristicas

calorimétricas que el primer sensor calorimétrico (1), susceptible de

colorearse en relación directa con la concentración de la especie

química a medir, contenida en la muestra de disolución problema;

caracterizado por que adicionalmente comprende:

tomar al menos una fotograf1a de cada primer sensor calorimétrico (1), puesto en contacto con cada una de las disoluciones patrón, y al menos una fotografía del segundo sensor calorimétrico (2), puesto en contacto con la disolución problema; extraer, mediante un dispositivo con capacidad de procesamiento de imágenes, un valor representativo del color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor calorimétrica (1) puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón, y del segundo sensor calorimétrico (2) puesto en contacto con la disolución problema; asociar a cada valor representativo del color de cada primer sensor calorimétrico (1) puesto en contacto con cada una de las muestras de

disoluciones patrón, el valor conocido de concentración de la especie

química a medir en cada una de las disoluciones patrón;

determinar estadísticamente una expresión matemática que relacione

entre sí los valores representativos del color, mostrado en las

s

fotografías, de cada primer sensor colorimétrico (1) puesto en contacto

con cada una de las muestras de disoluciones patrón, junto con sus

correspondientes valores de concentración conocida de la especie

química a medir;

determinar, mediante interpolación de la expresión matemática obtenida

10

en el paso anterior, el valor de concentración de la especie química a

medir en la disolución problema, correspondiente con el valor

representativo del color del segundo sensor calorimétrico (2) puesto en

contacto con la muestra de disolución problema.

15

2. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la

reivindicación 1, caracterizado por que la fase de extracción de un valor

representativo del color de cada primer sensor colorimétrico (1) puesto en

contacto con cada una de [as muestras de las disoluciones patrón y del

segundo sensor co[orimétrico (2) puesto en contacto con la muestra de [a

20

disolución problema comprende:

a. extraer los parámetros RGB relativos al color, mostrado en las

totografías, de cada primer sensor calorimétrico (1) puesto en contacto

con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del segundo

25

sensor colorimétrico (2) puesto en contacto con la muestra de disolución

problema;

b. determinar, mediante un procedimiento de análisis estadístico, un valor

representativo de los parámetros RGB asociados a[ color, mostrado en

30

las fotografías , de cada primer sensor calorimétrico (1) puesto en

contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del

segundo sensor calorimétrico (2) puesto en contacto con la muestra de

disolución problema.

23
3.

Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la

reivindicación 2, caracterizado por que la determinación de un valor

representativo de los parámetros RGB asociados al color, mostrado en las

fotografías, de cada primer sensor calorimétrico (1) puesto en contacto con

5

cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor

calorimétrico (2) puesto en contacto con la muestra de disolución problema

comprende:

a) calcular la covarianza mutua entre los parámetros RGB asociados al

10

color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor calorimétrico

(1) puesto en contacto con cada una de las muestras de las

disoluciones patrón y del segundo sensor calorimétrico (2) puesto en

contacto con la muestra de disolución problema;

15

b) calcular los autovalores y los autovectores asociados a la matriz de

covarianza cuyos valores son las covarianzas calculadas en la fase

anterior;

c) determinar un autovector representativo, como aquel autovector

20

asociado al autovalor de mayor valor absoluto calculado en la fase

anterior;

d) calcular, para cada primer sensor colorimétrico puesto en contacto con

cada una de las muestras de las disoluciones patrón y para el segundo

25

sensor colorimétrico puesto en contacto con la muestra de disolución

problema, los valores absolutos de las proyecciones de sus

autovectores asociados, calculados en la fase anterior, sobre el

autovector representativo determinado en la fase anterior;

30

e) determinar, para cada primer sensor calorimétrico puesto en contacto

con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y para el

segundo sensor calorimétrico puesto en contacto con la muestra de

disolución problema, el mayor de los valores absolutos calculados en la

fase anterior;

24

f) establecer cada uno de Jos mayores valores absolutos determinados en la fase anterior, respectivamente como valor representativo de los parámetros RGB asociados al color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor calorimétrico (1) puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor calorimétrico (2) puesto en contacto con la muestra de disolución problema.
4. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la reivindicación 1, caracterizado por que la fase de determinación estadística de una expresión matemática que relacione entre sí los valores representativos del color, mostrado en las fotografías, de cada primer sensor calorimétrico (1) puesto en contacto con cada una de las muestras de las disoluciones patrón, junto con sus correspondientes valores de concentración de la especie química a medir, comprende:

a.

obtener una curva experimental resultante de unir entre sí puntos asociados a cada muestra de disolución patrón, donde los valores de las coordenadas de cada uno de dichos puntos en unos ejes de coordenadas son respectivamente el valor representativo del color, mostrado en las fotografías, del primer sensor colorimetrico (1) puesto en contacto con la muestra de la disolución patrón asociada a dicho punto y el valor conocido de la concentración de la especie química a medir en dicha disolución patrón;

b.

determinar, mediante un procedimiento de asimilación por mínimos cuadrados o regresión lineal, una expresión matemática que represente una curva que se asemeje lo máximo posible a la curva experimental obtenida en la fase anterior.
5.

Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la reivindicación 1, caracterizado por que el primer sensor colorimétrico (1 ) y el segundo sensor calorimétrico (2) están compuestos por discos que comprenden materiales reactivos cromogénicos sólidos.
6.

Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la reivindicación 1, caracterizado por que el primer sensor calorimétrico (1) y el segundo sensor calorimétrico (2) estan compuestos por disoluciones de

5 materiales reactivos cromogénicos que se introducen en viales o cubetas de malerial traslúcido.
7. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la reivindicación 1, caracterizado por que la toma de al menos una fotografía del 10 primer sensor calorimétrico (1) y del segundo sensor calorimétrico (2) se realiza mediante un dispositivo móvil (3) con procesador integrado de imágenes, que se encarga de tomar la fotografía del primer sensor calorimétrico (1) puesto en contacto con las muestras de las disoluciones patrón y del segundo sensor colorimétrico (2) puesto en contacto con la muestra de la disolución problema,

15 y determinar el valor de concentración de la especie química a medir en la disolución problema.
8. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la

reivindicación 7, caracterizado por que el dispositivo móvil (3) es un teléfono 20 inteligente o una tableta.
9. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la reivindicación 7, caracterizado por que el dispositivo móvil (3) registra los valores de concentración de las especies químicas a medir en las disoluciones

25 problema, junto con los datos relativos a la fecha, la hora, la latitud, la longitud y la allilud del momento y del lugar en donde se realiza la prueba.
10. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según la reivindicación 7, caracterizado por que el dispositivo móvil (3) registra los 30 valores de concentración de las especies químicas a medir en las disoluciones

problema, junto con los datos relativos a la fecha, la hora y la región anatómica en que se realiza la prueba.
11. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas segun las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado por que el dispositivo móvil (3) ofrece una representación de un mapa de concentraciones sobre una superficie o región dadas, junto con la variación de concentraciones de las especies

s químicas a medir en un periodo determinado.
12. Procedimiento de medida de la concentración de especies químicas según las reivindicaciones 1, caracterizado por que comprende comparar los resultados obtenidos del valor de la concentración de una determinada especie química en una disolución problema con unos valores límites característicos contenidos en una base de datos, donde, a resultas de la comparación anterior, se determina si la concentración de una determinada especie química en una disolución problema se encuentra por encima o por debajo de dichos límites característicos.