Smartphone-based nitrate sensor
Date
2019-12
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: included an extra bandpass filter. The performance of each scenario was compared
against one another and with that of a laboratory spectrophotometer.
Through the assessment of the three scenarios, it was deduced that the addition
of the diffraction grating did not make a significant difference to the
detection ability of the smartphone-based nitrate sensor. However, the inclusion
of the bandpass filter increased the sensitivity of the smartphone-based
nitrate sensor, allowing it to perform more on par with the laboratory spectrophotometer.
The variance between the performance of the scenario with
the bandpass filter and the laboratory spectrophotometer was less than 27%.
Contrary, the variance between the other two scenarios and the laboratory
spectrophotometer, was over 80%. Therefore, the adopted final design of the
smartphone-based nitrate sensor consisted of the elemental components and a
bandpass filter.
Thereafter, a comparison was made between the ability of the final smartphone-
based nitrate sensor and the laboratory spectrophotometer to determine
the nitrate concentration of an environmental sample. This comparison served
as the final evaluation of the execution and accuracy of the smartphone-based
nitrate sensor. It was learnt that the performance of the smartphone-based
nitrate sensor was comparable to the performance of the laboratory spectrophotometer.
The smartphone-based nitrate sensor was able to measure
the concentration of the environmental sample with an accuracy of 19% and
7% less than that of the laboratory spectrophotometer, for a first and second
set of tests, respectively. Additionally, the smartphone-based nitrate sensor
was successfully able to measure the concentration of the environmental sample,
within the reported range of the actual concentration of the environmental
sample.
The smartphone-based nitrate sensor achieved a measurement sensitivity of
1:402 107P.U/ppm, a resolution of 0:2014 ppm, and a detection limit of 1 to
5 ppm. Therefore, the smartphone-based nitrate sensor displayed a prospective
ability to be employed as a more economical and compact means of analysing
nitrates in water sources, particularly for rural areas.
AFRIKAANSE OPSOMMING:Die skaarste aan sanitêre water is ’n bekende probleem wat tans in Afrika heers, en nitrate is een van die belangrikste parameters wat waterkwaliteit betref. Nitrate kan maklik waterbronne besoedel deur mensgemaakte of natuurlike prosesse, en die agteruitgang van akwatiese ekosisteme veroorsaak gesondheidskomplikasies vir mense. In die lig van hierdie saak was die doel van hierdie tesis om ’n "labin-a-suitcase"slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor te ontwikkel wat draagbaar en meer bekostigbaar is vir gemeenskappe in landelike gebiede in vergelyking met tradisionele toerusting. Vir hierdie toepassing het die slimfoongebaseerde nitraat-sensor spektrofotometriese analise uitgevoer, meer spesifiek U V-spektroskopie, om d ie n itraat k onsentrasie t e k wantifiseer in ’n watermonster. Spektrofotometrie is ’n metodologie wat die verband tussen die hoeveelheid lig geabsorbeer en die konsentrasie van die monster verkry. Spektrofotometrie gebruik ’n paar optiese komponente wat duur kan wees, kompleks kan wees om te implementeer en die grootte van die toestel kan vergroot. Sommige van hierdie komponente, soos die diffraksierooster, is noodsaaklik om spektrofotometers in staat te stel om verskillende chemikalieë te ontleed. Aangesien hierdie toediening spesifiek op nitrate van toepassing was, het dit nie al hierdie komponente nodig nie. Hierdie tesis ondersoek dus die moontlikheid om sekere optiese komponente uit te sluit om die koste, grootte en kompleksiteit te verminder van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor. Dit was bereik deur te ondersoek of ’n diffraksierooster en ’n banddeurlaatfilter onontbeerlik was vir die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor om ideaal te werk. Die ondersoek het bestaan uit die ontwerp van drie ontwerpscenario’s, waar al drie scenario’s uit dieselfde elementêre komponente bestaan het, maar elke scenario het verskil met ’n komponent. Een scenario het slegs bestaan uit die elementêre komponente terwyl die ander scenario’s onderskeidelik uit ’n banddeurlaatfilter en ’n diffraksierooster bestaan het. Die prestasie van elke scenario was in vergelyking met mekaar en met ’n laboratorium-spektrofotometer gestel. Deur die beoordeling van die drie scenario’s was afgelei dat die toevoeging van die diffraksierooster geen noemenswaardige verskil aan die opspoorvermoë van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor het nie. Die insluiting van die banddeurlaatfilter het egter die opsporingsvermoë van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor verhoog om meer gelyk met die laboratorium-spektrofotometer te presteer. Die afwyking tussen die prestasie van die scenario met die banddeurlaatfilter en die laboratorium-spektrofotometer was minder as 27%. In teenstelling, die variansie tussen die ander twee scenarios en die laboratoriumspektrofotometer was meer as 80%. Daarom bestaan die finale ontwerp van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor uit die elementêre komponente asook ’n banddeurlaatfilter. Daarna was daar ’n vergelyking ingestel tussen die vermoë van die finale slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor en die laboratorium-spektrofotometer om die nitraatkonsentrasie van ’n omgewingsmonster te bepaal. Hierdie vergelyking het gedien as die uiteindelike evaluering van die uitvoering en akkuraatheid van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor. Dit is bepaal dat die slimfoongebaseerde nitraat-sensor se prestasie vergelykbaar is met die laboratoriumspektrofotometer. Die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor kon die konsentrasie van die omgewingsmonster met ’n akkuraatheid van 19% en 7% minder as die van die laboratorium-spektrofotometer opspoor vir onderskeidelik ’n eerste en tweede stel toetse. Boonop kon die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor die konsentrasie van ’n nitraatmonster binne die gerapporteerde omvang van die werklike konsentrasie van die omgewingsmonster meet. Die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor het ’n meetings sensitiviteit van 1:402 x 107P.U/ppm, ’n resolusie van 0:2014 ppm en ’n opsporingslimiet van 1-5 ppm. Daarom het die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor die moontlike vermoë om gebruik te kan word as ’n meer ekonomiese en kompakte manier om nitrate in waterbronne te ontleed, veral vir landelike gebiede.
AFRIKAANSE OPSOMMING:Die skaarste aan sanitêre water is ’n bekende probleem wat tans in Afrika heers, en nitrate is een van die belangrikste parameters wat waterkwaliteit betref. Nitrate kan maklik waterbronne besoedel deur mensgemaakte of natuurlike prosesse, en die agteruitgang van akwatiese ekosisteme veroorsaak gesondheidskomplikasies vir mense. In die lig van hierdie saak was die doel van hierdie tesis om ’n "labin-a-suitcase"slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor te ontwikkel wat draagbaar en meer bekostigbaar is vir gemeenskappe in landelike gebiede in vergelyking met tradisionele toerusting. Vir hierdie toepassing het die slimfoongebaseerde nitraat-sensor spektrofotometriese analise uitgevoer, meer spesifiek U V-spektroskopie, om d ie n itraat k onsentrasie t e k wantifiseer in ’n watermonster. Spektrofotometrie is ’n metodologie wat die verband tussen die hoeveelheid lig geabsorbeer en die konsentrasie van die monster verkry. Spektrofotometrie gebruik ’n paar optiese komponente wat duur kan wees, kompleks kan wees om te implementeer en die grootte van die toestel kan vergroot. Sommige van hierdie komponente, soos die diffraksierooster, is noodsaaklik om spektrofotometers in staat te stel om verskillende chemikalieë te ontleed. Aangesien hierdie toediening spesifiek op nitrate van toepassing was, het dit nie al hierdie komponente nodig nie. Hierdie tesis ondersoek dus die moontlikheid om sekere optiese komponente uit te sluit om die koste, grootte en kompleksiteit te verminder van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor. Dit was bereik deur te ondersoek of ’n diffraksierooster en ’n banddeurlaatfilter onontbeerlik was vir die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor om ideaal te werk. Die ondersoek het bestaan uit die ontwerp van drie ontwerpscenario’s, waar al drie scenario’s uit dieselfde elementêre komponente bestaan het, maar elke scenario het verskil met ’n komponent. Een scenario het slegs bestaan uit die elementêre komponente terwyl die ander scenario’s onderskeidelik uit ’n banddeurlaatfilter en ’n diffraksierooster bestaan het. Die prestasie van elke scenario was in vergelyking met mekaar en met ’n laboratorium-spektrofotometer gestel. Deur die beoordeling van die drie scenario’s was afgelei dat die toevoeging van die diffraksierooster geen noemenswaardige verskil aan die opspoorvermoë van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor het nie. Die insluiting van die banddeurlaatfilter het egter die opsporingsvermoë van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor verhoog om meer gelyk met die laboratorium-spektrofotometer te presteer. Die afwyking tussen die prestasie van die scenario met die banddeurlaatfilter en die laboratorium-spektrofotometer was minder as 27%. In teenstelling, die variansie tussen die ander twee scenarios en die laboratoriumspektrofotometer was meer as 80%. Daarom bestaan die finale ontwerp van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor uit die elementêre komponente asook ’n banddeurlaatfilter. Daarna was daar ’n vergelyking ingestel tussen die vermoë van die finale slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor en die laboratorium-spektrofotometer om die nitraatkonsentrasie van ’n omgewingsmonster te bepaal. Hierdie vergelyking het gedien as die uiteindelike evaluering van die uitvoering en akkuraatheid van die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor. Dit is bepaal dat die slimfoongebaseerde nitraat-sensor se prestasie vergelykbaar is met die laboratoriumspektrofotometer. Die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor kon die konsentrasie van die omgewingsmonster met ’n akkuraatheid van 19% en 7% minder as die van die laboratorium-spektrofotometer opspoor vir onderskeidelik ’n eerste en tweede stel toetse. Boonop kon die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor die konsentrasie van ’n nitraatmonster binne die gerapporteerde omvang van die werklike konsentrasie van die omgewingsmonster meet. Die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor het ’n meetings sensitiviteit van 1:402 x 107P.U/ppm, ’n resolusie van 0:2014 ppm en ’n opsporingslimiet van 1-5 ppm. Daarom het die slimfoon-gebaseerde nitraat-sensor die moontlike vermoë om gebruik te kan word as ’n meer ekonomiese en kompakte manier om nitrate in waterbronne te ontleed, veral vir landelike gebiede.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2019.
Keywords
Smartphone-based nitrate sensor, UCTD, Water -- Nitrate content, Water -- Pollution, Sensors, Smartphones