Primeiramente vamos fazer uma distinção entre os termos monitoramento e controle.
Neste site usamos o termo monitoramento como a ação de “obter informações” de maneira contínua.
E atribuímos ao termo controle a ação de “interferir” em algo visando um determinado objetivo.
A ação de monitoramento depende do uso de sensores.
E a ação de controle é feita com o auxílio de atuadores.
As informações obtidas durante a ação de monitoramento podem ser processadas segundo um determinado critério de interpretação para gerar como resposta uma ação a ser executada pelos atuadores.
Podemos usar o corpo humano como um exemplo do cotidiano para ilustrar esses elementos conforme a figura 2
Figura 2. O olhos representam os sensores que capturam dados do meio externo os quais são processados e interpretados por um processador (cérebro), podendo gerar como resposta um comando para movimentar os atuadores representados pelas mãos.
Esta seção é uma tradução livre do artigo Streaming waters: Challenges in monitoring the chemistry of dynamic environments, publicado em uma revista sobre Educação em Química. Os autores analisam os desafios do monitoramento químico de Águas e chamam a atenção dos educadores para a necessidade de se adequar os conteúdos curriculares para essas questões. E o nosso objetivo ao compartilhar o conteúdo desse artigo é mostrar a necessidade da automação do monitoramento da qualidade das águas.
O pouco que restou dos escritos do filósofo Heráclito (~ 535 a.C. - 475 a.C.) estão organizados como “Fragmentos” [1]. E um dos mais importantes pode ser traduzido como:
... não se pode pisar duas vezes no mesmo rio.
Filosoficamente, pode-se interpretar essa frase considerando que tanto o observador quanto o observado sofrem mudanças constantes, mas em um contexto científico, o significado pode ser mais literal. Ou seja, a natureza está em um estado de fluxo perpétuo. E as águas nos ambientes naturais são alguns dos exemplos mais óbvios disso: sejam eles um oceano, um lago, um rio ou um ribeirão.
Para entender a sua composição química, é necessário medir com uma frequências suficientemente alta para se obter uma imagem realista do estado do sistema.
Como descrevemos a seguir, isso apresenta uma oportunidade para incorporar um novo tipo de instrumento no currículo de química analítica. Os alunos podem aprender a construir monitores simples que ilustram os desafios (e frustrações) e benefícios (e inconvenientes) do monitoramento ambiental remoto.
Embora as concentrações das substâncias presentes nas águas ambientais mudem continuamente ao longo do tempo, elas devem ser amostradas em intervalos discretos. Essas medidas discretas são então usadas para reconstruir o sinal original e contínuo. Mas a definição da “frequência de amostragem adequada” pode ser uma terefa difícil.
Se a amostragem é feita com uma freqüência muito alta (superamostragem), pode-se ficar sobrecarregado com um trabalho desnecessário e grande volume de dados. No entanto, a subamostragem pode ter consequências ainda mais negativas.
Quando os resultados discretos, obtidos com pouca frequência, são usados para reconstruir (por interpolação) o sinal contínuo “verdadeiro”, os artefatos podem ser criados. A criação de artefatos como resultado de uma “interpolação imprecisa” é chamada de aliasing. A Figura 3 é um exemplo de aliasing durante um período de monitoramento simulado.
Figura 3. Um exemplo simulado de “subamostragem” em que medições semanais (-•-) não refletem com precisão as medidas feitas diariamente (-□-).
A frequência de amostragem adequada pode ser obtida com o uso do teorema de Nyquist-Shannon, que é conhecido como “Teorema da Amostragem” [2].
O teorema de Nyquist-Shannon exige que a amostragem seja feita a uma taxa que seja pelo menos o dobro da freqüência do sinal verdadeiro para evitar o fenômeno de “aliasing”.
O monitoramento com maior frequência de um sistema dinâmico permite uma melhor compreensão dos processos biogeoquímicos que ocorrem no sistema. No entanto, devido à dinâmica das águas naturais, as metodologias de amostragem tradicionais, que consistem na “retirada” de amostras para análise em laboratório, estão sujeitas ao problema da “subamostragem” principalmente nos ambientes que mudam rapidamente. Embora as concentrações dos componentes químicos que se encontram no meio de um grande lago ou em um aquífero subterrâneo, por exemplo, podem variar pouco em períodos de tempo relativamente longos, as concentrações em bacias de marés, rios e córregos tendem a variar consideravelmente em pouco tempo.
Para monitorar fenômenos ambientais dinâmicos, o ideal é realizar a medição diretamente no ponto de amostragem, ou “in situ”, pois as medições podem ser feitas em alta frequência. Devido à importância desse tema, esta tem sido uma área de intensa pesquisa em Química Analítica nos últimos anos [3].
As primeiras estratégias consistiram em projetar instrumentos analíticos concebidos originalmente para uso em laboratório, e torná-los mais robustos para uso em campo. Mas essa estratégia não se mostrou viável porque os instrumentos ficavam caros, volumosos e frágeis.
Pesquisas mais recentes buscaram o desenvolvimento de instrumentos para monitoramento “in situ” a partir do conceito “bottom up” (de baixo para cima) e aplicando-os à determinação de espécies químicas em matrizes complexas mesmo em níveis de traço. [4]
Além disso, as medidas “in situ” minimizam os riscos de contaminação da amostra que ocorre com o procedimento tradicional de amostragem manual e remoção para análise em laboratório, com ou sem preservação (off-line).
A capacidade dos instrumentos de análise “in situ” de realizarem “auto-calibração” é uma característica muito importante para garantir a qualidade dos dados adquiridos.
Embora a qualidade dos dados gerados no monitoramento “in situ” (exatidão, precisão, sensibilidade, seletividade) não seja equivalente à precisão e exatidão que podem ser alcançadas com medições feitas com instrumentos em laboratório (off-line) e nem a sensibilidade e seletividade obtida com instrumentos tais como GC-MS ou ICP-MS, em um grnde número de situações o monitoramento “in situ” fornece informações com qualidade adequada.
A instrumentação de monitoramento “in situ” pode ser dividida em duas categorias gerais: “sensores químicos” e “analisadores químicos”. [5]
Os sensores químicos, nos quais a difusão é o mecanismo predominante de transferência de massa que permite o contato do analito com a superfície do transdutor, são mecanicamente simples e práticos principalmente pela baixa demanda de potência, pequeno tamanho e baixo peso.
No entanto, os sensores químicos geralmente apresentam menor “seletividade” porque sua operação é baseada em processos químicas reversíveis.
A interação do analito com a superfície do sensor (transdutor) deve ter uma grande constante de ligação (de formação) Kf principalmente se o objetivo é detectar níveis de traço (sub-μg / mL).
Por exemplo, considere a reação do analito A com o ligando B para formar o complexo AB:
[1] Kirk, G. S.; Raven, J. E.; Schofield, M. The Presocratic Philosophers, 2nd ed.; Cambridge University Press: Cambridge, U.K., 1983.
[2] Swanson, R.; Thoennes, D. J.; Williams, R. C.; Wilkins, C. L. Determination of the Nyquist Frequency. J. Chem. Educ. 1975, 52, 530.
[3] Valcarcel, M.; Cardenas, S.; Gallego, M. Continuous Flow Systems for Rapid Sample Screening. TrAC Trends Anal. Chem. 2002, 21, 251.
[4] Jannasch, H. W.; Johnson, K. S.; Sakamoto, C. M. Submersible, Osmotically Pumped Analyzers for Continuous Determination of Nitrate in situ. Anal. Chem. 1994, 66, 3352.
Bryne, R. H.; Kaltenbacher, E.; Waterbury, R. Autonomous in situ Analysis of the Upper Ocean. Sea Technol. 1999, 40, 71.
Lyddy-Meaney, A. J.; Ellis, P. S.; Worsfold, P. J.; Butler, E. C. V.; McKelvie, I. D. A Compact Flow Injection Analysis System for Surface Mapping of Phosphate in Marine Waters. Talanta 2002, 58, 1043.
Singer Pressman, M. A.; Aldstadt, J. H. An in situ Monitor Based on Continuous Flow Analysis for the Sensitive Quantitation of Hexavalent Chromium in Natural Waters. J. Environ. Monitoring 2005, 7, 809.
[5] Singer Pressman, M. A.; Aldstadt, J. H. In Situ Chemical Monitoring in Water Encyclopedia: Physics and Chemistry of Water (Vol.3); Lehr, J. H.; Keeley, J. (Eds.); John Wiley & Sons: New York, 2005.