Diseño y construcción de un potenciostato para mediciones electroquímicas basado en un microcontrolador.
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Universidad Nacional de Tucumán, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología, Departamento de Bioingeniería
Resumen
RESUMEN
En este trabajo se presenta el diseño y construcción de un potenciostato para realizarmediciones electroquímicas basado en un microcontrolador.
Las técnicas electroquímicas requieren un control preciso del potencial aplicado a una celdaelectroquímica y la medición de la corriente generada durante las reacciones químicas queimplican transferencia de electrones. Para esto se emplea un instrumento de laboratorioconocido como potenciostato. Los equipos comerciales, además de ser muy costosos, funcionan como "cajas negras" brindando información limitada sobre sus circuitos y funcionamiento, lo que hace que sea muy difícil repararlos en caso de falla.
En los últimos años se han propuesto proyectos de potenciostatos con objetivos de diseño como bajo costo de fabricación, calidad de medición, facilidad de uso y versatilidad.
Siguiendo este camino, se propone DM-Stat, un potenciostato portátil, de bajo costo y de código abierto basado en el microcontrolador ESP32, diseñado para ser operado vía WiFi a través de una aplicación web y ejecutar técnicas como voltametría cíclica (VC), voltametría de onda cuadrada (VOC), voltametría de pulso diferencial (VPD) y cronoamperometría (CA).
El desarrollo de DM-Stat se divide en dos partes. Por un lado, el diseño y la construcción del hardware que realiza las mediciones en celdas electroquímicas y por el otro, el software que controla el dispositivo y permite mostrar los resultados de dichas mediciones.
Esta parte del trabajo se enfoca en el hardware, que incluye el diseño de los circuitos electrónicos, la programación del firmware del microcontrolador para la generación de señales de control, la lectura y almacenamiento de los resultados de las mediciones y finalmente la construcción del equipo.
El software se implementó en otro proyecto de graduación. Ambos proyectos son complementarios y se vincularon para realizar las pruebas de funcionamiento, ya que utilizar el potenciostato sin una aplicación sería complejo o requeriría un enfoque de diseño completamente diferente al que se propone en este trabajo.
Los ensayos se realizaron utilizando celdas ficticias y celdas electroquímicas reales. Se probaron todas las técnicas disponibles en soluciones de ferro-ferricianuro de potasio en PBS variando la concentración. Con el fin de evaluar el desempeño del equipo desarrollado, se compararon los resultados con mediciones documentadas previamente en
investigaciones y proyectos similares, así como con ecuaciones derivadas de la teoría electroquímica.
Los resultados mostraron que el equipo cumple adecuadamente con su función, resta una comparación más precisa con equipos comerciales.
Descripción
INDICE
AGRADECIMIENTOS..................................................................................................3
RESUMEN.................................................................................................................4
1. INTRODUCCION............................................................................................... 13
2. OBJETIVOS....................................................................................................... 15
2.1 OBJETIVO GENERAL.......................................................................................... 15
2.2 OBJETIVOS PARTICULARES............................................................................... 15
3. ESTADO DEL ARTE............................................................................................ 17
4. MARCO TEÓRICO............................................................................................. 21
4.1 POTENCIOSTATOS ................................................................................................. 21
4.1.1 Control de potencial: configuración de tres electrodos. ............................... 21
4.1.2 Aplicaciones.................................................................................................... 22
4.1.2.1 Potenciostato en investigación y desarrollo de biosensores. ..........23
4.2 TÉCNICAS ELECTROQUÍMICAS................................................................ 24
4.2.1 Voltametría Cíclica ......................................................................................... 24
4.2.2 Voltametría de Pulso Diferencial ................................................................... 26
4.2.3 Voltametría de Onda Cuadrada ..................................................................... 27
4.2.4 Cronoamperometría....................................................................................... 28
4.3 ELECTRÓNICA ........................................................................................................ 30
4.3.1 Amplificadores Operacionales ....................................................................... 30
4.3.1.1 Configuraciones básicas ................................................................30
4.3.2 Microcontroladores........................................................................................ 31
4.3.2.1 Placas de desarrollo de hardware ..........................................32
4.3.3 Conversor digital a analógico ......................................................................... 33
4.3.4 Conversor analógico a digital ......................................................................... 34
4.3.4 Multiplexores ................................................................................................. 36
5. MATERIALES Y METODOS ................................................................................ 37
5.1 ARQUITECTURA DE HARDWARE .................................................................. 37
5.1.1 Circuito de control de potencial..................................................................... 38
5.1.1.1 Principio de funcionamiento .......................................................38
6
5.1.1.2 Selección del amplificador operacional.........................................39
5.1.1.3 Diseño del circuito........................................................................................40
5.1.2 Microcontrolador........................................................................................... 40
5.1.2.1 Funciones del microcontrolador en DM-Stat....................................40
5.1.2.2 Selección del microcontrolador..............................................................40
5.1.2.3 ESP32..............................................................................................................41
5.1.3 Conversor digital a analógico (DAC)............................................................... 42
5.1.3.1 Función del DAC en DM-Stat.....................................................................42
5.1.3.2 Resolución del DAC.......................................................................................43
5.1.4 Conversor analógico a digital (ADC)............................................................... 43
5.1.4.1 Función del ADC en DM-Stat.....................................................................43
5.1.5 Amplificador de transimpedancia (ATI) ......................................................... 43
5.1.6 Multiplexor para selección de la ganancia ATI............................................... 45
5.1.7 Filtro pasa bajos ............................................................................................. 46
5.1.8 Alimentación .................................................................................................. 47
5.1.9 Voltaje negativo ............................................................................................. 48
5.1.10 Niveladores de voltaje.................................................................................. 48
5.1.10.1 Acondicionamiento de la señal de control proveniente del DAC......48
5.1.10.2 Acondicionamiento de la señal que ingresa al ADC ........................49
5.2 FIRMWARE ............................................................................................................ 51
5.2.1 Introducción ................................................................................................... 51
5.2.2 Funciones del firmware del microcontrolador .............................................. 51
5.2.3 Desarrollo del firmware ................................................................................. 52
5.2.3.1 Generador de formas de onda ......................................................52
• 5.2.3.1.1 Generador de señal de control para VC.....................................53
• 5.2.3.1.2 Generador de señal de control para VPD ...................................55
• 5.2.3.1.3 Generador de señal de control para VOC ...................................57
• 5.2.3.1.4 Generador de señal de control para CA.................................................59
5.2.3.2 Ajuste de linealidad del ADC .............................................................................61
5.2.3.3 Lectura de la medición ...................................................................................63
• 5.2.3.3.1 Lectura de la medición en VC .........................................................63
• 5.2.3.3.2 Lectura de la medición para CA............................................................65
• 5.2.3.3.3 Lectura de la medición para VPD .......................................................66
• 5.2.3.3.4 Lectura de la medición para VOC .....................................................67
7
5.2.3.4 Almacenamiento de resultados........................................................68
• 5.2.3.4.1 Arreglos para almacenar los datos .................................................68
• 5.2.3.4.2 Frecuencia de muestreo .....................................................69
5.2.3.5 Control del multiplexor ...............................................................................71
5.2.3.6 Control de LED indicador de conexión WiFi ...........................................72
5.3 DISEÑO EN PCB ..................................................................................................... 73
5.4 CONSTRUCCION DEL EQUIPO................................................................................ 75
5.4.1 Lista de materiales ......................................................................................... 75
5.4.2 Plaqueta ......................................................................................................... 76
5.4.3 Alimentación .................................................................................................. 78
5.4.4 Gabinete......................................................................................................... 79
5.4.5 Accesorios ...................................................................................................... 81
5.5 INTEGRACIÓN CON EL SOFTWARE.......................................................... 81
5.5.1 Requerimientos indispensables para el desarrollo del software........... 81
5.6 CRITERIOS PARA LA EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DEL EQUIPO .... 85
5.6.1 Ecuación de Randles-Ševčík ........................................................................... 85
5.6.1.1 VC variando la velocidad de escaneo ..........................................................85
5.6.1.2 VC variando la concentración del analito en la muestra.................87
5.6.2 Ecuación de Cottrell ....................................................................................... 87
5.6.3 Resultados de otros potenciostatos de bricolaje........................................... 89
5.6.3.1 UWED ........................................................................................................89
5.6.3.2 NanoStat.................................................................................................91
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN .............................................................................. 93
6.1 DM-STAT ............................................................................................................... 93
6.1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EQUIPO DISEÑADO........................... 93
6.1.2 HARDWARE .................................................................................................... 93
6.1.3 SOFTWARE...................................................................................................... 95
6.1.3.1 Firmware ..................................................................................................95
6.1.3.2 Interfaz gráfica de usuario................................................................95
6.2 PRUEBAS PRELIMINARES ...................................................................................... 96
6.2.1 Generador de funciones................................................................................. 96
6.2.1.1 Gráficas de las funciones en Arduino IDE......................................................96
6.2.1.2 Prueba del generador de funciones con osciloscopio................................99
8
• 6.2.1.2.1 Calibración del DAC ...........................................................99
• 6.2.1.2.2 Medición de potencial de control para cada técnica...............103
6.2.2 Filtrado de la señal ....................................................................................... 106
6.2.3 Ensayos con celda ficticia............................................................................. 107
6.3 PRUEBAS DE LABORATORIO...................................................................... 111
6.3.1 Electrodo serigrafiado.................................................................................. 112
6.3.1.1 Voltametría cíclica .......................................................................................112
6.3.1.2 Voltametría de pulso diferencial ................................................................114
6.3.1.3 Voltametría de onda cuadrada.....................................................................115
6.3.1.4 Cronoamperometría..................................................................................116
6.3.2 Electrodo de oro........................................................................................... 117
6.4 DISCUSIÓN........................................................................................................... 120
7. CONCLUSIONES ............................................................................................. 126
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................................. 127
GLOSARIO ............................................................................................................ 129
ANEXOS ............................................................................................................... 130
A. Circuito electrónico ............................................................................................... 130
B. Firmware del microcontrolador............................................................................ 131