Em muitas aplicações industriais e ambientais, determinar o tamanho e a distribuição das partículas microscópicas é essencial. Por exemplo, na indústria farmacêutica, A medição em linha e o controle de partículas contendo vários ingredientes químicos (antes da consolidação em comprimidos) podem aumentar criticamente o rendimento e a qualidade do produto médico final. Também, o ar que respiramos, a água que bebemos e os alimentos que comemos também podem conter muitos tipos de partículas prejudiciais à saúde, o que é crucial para detectar para nossa saúde e bem-estar.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , uma equipe de cientistas e engenheiros europeus do ICFO e IRIS na Espanha, Ipsumio B.V. na Holanda, a Universidade Técnica da Dinamarca, a Technische Universität Dresden na Alemanha e a University of Leeds no Reino Unido, desenvolveu um novo analisador de tamanho de micropartículas combinando produtos eletrônicos de consumo e inteligência artificial. O dispositivo, uma ordem de magnitude menor em termos de tamanho, peso e custo, mede o tamanho de partícula com uma precisão comparável a analisadores comerciais de tamanho de partícula à base de luz, pelo menos.

"O projeto ProPAT, financiado pela UE, teve como objetivo fornecer novos sensores para aplicações industriais. A inovação desenvolvida pelo ICFO é um grande exemplo de tal sensor. O feedback do teste em escala piloto em condições do mundo real e indústrias finais mudou o sensor de um dispositivo de laboratório para aplicabilidade potencial em ambientes industriais, "diz Frans Muller, professor de engenharia de processos químicos na University of Leeds e gerente técnico da ProPAT.

Convencionalmente, Os analisadores de tamanho de partícula (PSA) baseados em difração a laser (LD) são amplamente usados ​​para medir o tamanho de partícula de centenas de nanômetros a vários milímetros. Em tais dispositivos, luz laser focada em uma amostra de partícula diluída produz um padrão de difração (espalhamento), medido por uma série de detectores de luz e convertido em uma distribuição de tamanho de partícula usando a teoria de espalhamento bem estabelecida. Esses dispositivos são precisos e confiáveis, mas grandes (cada dimensão sendo da ordem de meio metro), pesado (dezenas de kg) e caro (frequentemente custando na ordem de cem mil dólares ou mais). Além disso, sua complexidade, junto com o fato de que muitas vezes requerem manutenção e pessoal altamente treinado, torná-los impraticáveis, por exemplo, na maioria das aplicações industriais online, que requerem a instalação de sondas em ambientes de processamento, frequentemente em vários locais.

O PSA recém-desenvolvido funciona em uma configuração de feixe colimado usando um diodo emissor de luz (LED) simples e um sensor de imagem semicondutor de óxido metálico (CMOS), semelhantes aos usados ​​em telefones inteligentes. A inovação chave é o pequeno filtro espacial angular (ASF) feito com uma série de orifícios com diâmetros diferentes que é extrudado de uma haste de polímero. Ao iluminar a amostra alvo, a luz se espalha e passa pelo ASF para o sensor. A luz coletada de orifícios de tamanhos diferentes é representativa de um conjunto diferente de ângulos de espalhamento. Um modelo de aprendizado de máquina ad hoc (ML) converte a imagem do sensor em tamanho de partículas. O mesmo dispositivo pode ser facilmente convertido em um Hazemeter, um instrumento essencial para caracterizar muitos materiais ópticos.

"É muito emocionante ver como uma simples combinação de componentes fotônicos de consumo, como um LED e uma câmera de telefone, um filtro angular inovador fabricado usando extrusão de fibra de cristal fotônico escalonável em massa e processamento de dados de aprendizado de máquina nos permitiu fazer um compacto, dispositivo barato e preciso, "diz Rubaiya Hussain, primeiro autor do artigo e Ph.D. candidato no grupo de Optoeletrônica do ICFO.

Para validar o novo PSA, misturas de água e contas de vidro com tamanhos na faixa de 13 a 125 micrômetros foram testadas em várias concentrações de processo em dispersões líquidas. Os sistemas de difração a laser não podem medir concentrações tão altas, pois a luz é espalhada várias vezes, resultando em padrões de espalhamento que não podem ser convertidos em tamanhos de partículas. Usando o algoritmo de aprendizagem de máquina de floresta aleatória, os dados do novo dispositivo podem ser analisados ​​com sucesso, aumentando a faixa de trabalho de tamanhos de partículas e concentrações que podem ser medidas.

"Usamos o dispositivo PSA construído no ICFO em Barcelona para coletar dados de diferentes intervalos de tamanho de partícula e concentrações de grânulos de vidro padrão. De acordo com os resultados obtidos e nossa experiência, ficamos satisfeitos em ver que a precisão de alguns% do tamanho de partícula do volume médio (D50) é comparável com outras técnicas de medição (por exemplo, LD) na faixa de micrômetro, "diz o Dipl.-Ing. Rodrigo R. Retamal Marín, pesquisador do grupo de Engenharia de Processos Mecânicos da Technische Universität Dresden.

Futuras melhorias no hardware óptico também estão sendo projetadas. Em particular, otimização adicional do componente ASF inovador e métodos de captura de dados refinados estão sendo realizados, para produzir maior, conjuntos de dados de maior fidelidade para o algoritmo de aprendizado de máquina. O trabalho futuro também incluirá a análise de partículas não esféricas, coletados com sistemas de alimentação de amostra bem projetados para medições secas e úmidas, levando a análises de alta precisão para uma variedade de sistemas industrialmente relevantes.

"Pretendemos utilizar a flexibilidade inerente do design simples e baixo custo de hardware de nosso PSA proprietário para aplicações específicas, por exemplo, monitoramento online ou at-line, e estamos procurando parceiros de várias indústrias e instituições de pesquisa, "diz Valerio Pruneri, Professor do ICREA no ICFO e principal autor do trabalho.