Desenvolvimento de uma Plataforma Microfluídica Multiplexada Baseada em Fios (uTAD) e Inteligência Artificial para Monitoramento Simultâneo da Qualidade de Água Utilizando Smartphones

Descrição

O monitoramento da qualidade da água constitui uma necessidade estratégica para a saúde pública, a proteção ambiental e a gestão sustentável dos recursos hídricos. Parâmetros como dureza total, nitrito, fosfato e ferro total são amplamente utilizados para avaliar a potabilidade da água, identificar processos de contaminação e acompanhar alterações decorrentes de atividades agrícolas, industriais e urbanas. Apesar da existência de métodos analíticos consolidados para a determinação dessas espécies químicas, como titulações complexométricas, métodos espectrofotométricos e procedimentos padronizados pela ABNT e APHA, tais metodologias frequentemente demandam infraestrutura laboratorial, operadores especializados, elevado consumo de reagentes e tempos relativamente longos de análise. Nesse contexto, torna-se necessária a criação de alternativas analíticas portáteis, de baixo custo e compatíveis com análises descentralizadas em campo. Este projeto propõe o desenvolvimento de uma plataforma analítica híbrida baseada em dispositivos microfluídicos de fios (uTADs – Microfluidic Thread-Based Analytical Devices), integrada a um sistema automatizado impresso em 3D por estereolitografia por máscara (MSLA), associado à aquisição de imagens por smartphone e ao processamento computacional baseado em visão de máquina e inteligência artificial. O objetivo principal consiste em desenvolver, automatizar e validar uma tecnologia capaz de determinar simultaneamente dureza total, ferro total, nitrito e fosfato em amostras de água, empregando reações colorimétricas específicas e leitura baseada na extensão de zonas coloridas formadas ao longo dos canais microfluídicos. A proposta fundamenta-se no uso de fios têxteis hidrofílicos como canais microfluídicos passivos, nos quais o transporte da amostra ocorre por ação capilar, dispensando bombas, válvulas e sistemas hidráulicos complexos. Diferentes sistemas reagentes serão incorporados aos fios para promover reações seletivas com cada analito de interesse. Para dureza total será utilizado o sistema negro de eriocromo T–EDTA em tampão amoniacal; para nitrito será empregado o método de Griess baseado em sulfanilamida e N-(1-naftil)-etilenodiamina; para fosfato será utilizado o sistema molibdato de amônio associado à formação do azul de molibdênio; e para ferro total será empregada a reação da ortofenantrolina após redução do ferro(III) a ferro(II). A formação das zonas coloridas será monitorada por imagens digitais obtidas por smartphone sob condições controladas de iluminação e posicionamento. A plataforma física será constituída por um gabinete compacto desenvolvido por impressão 3D MSLA, contendo sistema de tração automatizada dos fios, compartimento eletrônico embarcado, suporte para smartphone, iluminação padronizada por LEDs e mecanismos de posicionamento reprodutível dos dispositivos analíticos. A automação será baseada em microcontrolador Arduino Nano associado a motores de passo, permitindo a movimentação controlada dos μTADs e a execução de ciclos automáticos de análise. O processamento das imagens será realizado por algoritmos desenvolvidos em Python utilizando bibliotecas de visão computacional, especialmente OpenCV. O software será responsável pela segmentação das regiões coloridas, conversão de pixels em unidades métricas, determinação automática da extensão das zonas reacionais e cálculo das concentrações dos analitos por meio de modelos de calibração previamente estabelecidos. Além disso, serão exploradas abordagens de aprendizado de máquina e inteligência artificial visando transformar padrões espaciais de cor em assinaturas químicas capazes de ampliar a capacidade analítica do sistema e permitir futuras aplicações multivariadas. A validação do método seguirá as recomendações do INMETRO e da norma ISO/IEC 17025, incluindo avaliação de linearidade, limites de detecção e quantificação, precisão intra e interdia, exatidão, recuperação, seletividade e robustez frente a interferentes frequentemente encontrados em águas naturais. Serão investigados os efeitos de espécies como sulfato, nitrato, cloreto, manganês, sódio e matéria orgânica dissolvida sobre o desempenho analítico dos dispositivos. A aplicabilidade prática da tecnologia será avaliada por meio da análise de amostras reais coletadas em diferentes pontos da região metropolitana de João Pessoa, incluindo águas de abastecimento público, poços artesianos e corpos hídricos superficiais. Os resultados obtidos pelo sistema proposto serão comparados estatisticamente com aqueles produzidos por métodos de referência, permitindo verificar sua exatidão e viabilidade de utilização em monitoramento ambiental. Espera-se que o projeto resulte em uma plataforma analítica portátil, robusta, de baixo custo e fácil operação, capaz de democratizar o acesso ao monitoramento da qualidade da água. Além de reduzir custos operacionais e dependência de laboratórios centralizados, a tecnologia proposta poderá contribuir para programas de vigilância ambiental, monitoramento comunitário, atividades educacionais e aplicações em regiões remotas com infraestrutura limitada. A integração entre microfluídica baseada em fios, impressão 3D, smartphones e inteligência artificial representa uma abordagem inovadora alinhada às tendências contemporâneas da química analítica digital, da automação laboratorial e da ciência de dados aplicada à análise química.