| Tesis Doctorales de la Universidad de Alcalá |
| DESIGN AND DEVELOPMENT OF LOW-COST RAPID PROTOTYPING APPROACHES FOR ELECTROCHEMICAL MICROFLUIDIC SENSING / DISEÑO Y DESARROLLO DE APROXIMACIONES DE PROTOTIPADO RÁPIDO Y DE BAJO COSTE PARA SENSADO ELECTROQUÍMICO MICROFLUÍDICO | | Autor/a | Hernández Rodríguez, Juan Francisco | | Departamento | Química Analítica, Química Física e Ingeniería Química | | Director/a | Escarpa Miguel, Jesús Alberto | | Codirector/a | Rojas Tizón, José Daniel | | Fecha de defensa | 26-11-2024 | | Calificación | Sobresaliente cum laude | | Programa | Química (RD 99/2011) | | Mención internacional | Sí | | Resumen | El objetivo principal de esta Tesis Doctoral ha sido diseñar, desarrollar y validar dispositivos electroquímicos microfluídicos empleando técnicas de prototipado rápido y de bajo coste que puedan ser implementadas en laboratorios convencionales por usuarios que no cuenten con experiencia previa en microfabricación.
En un primer bloque se diseñaron y desarrollaron dispositivos basados en xurografía para la microfluídica, serigrafía para los electrodos y laminación térmica para el montaje final de los dispositivos. En primer lugar, se estudió la transferencia de nanomateriales filtrados en membrana mediante laminación térmica para la construcción de electrodos basados exclusivamente en nanomateriales de carbono. Se estudiaron las condiciones óptimas de preparación, y aquella con las mejores prestaciones analíticas se integró en una celda electroquímica serigrafiada para la determinación de L-tirosina en muestras clínicas de tirosinemia tipo I. Seguidamente, se exploró la construcción de dispositivos electroquímicos microfluídicos constituidos por electrodos serigrafiados, lo cual dificulta la adhesión de la capa microfluídica debido al elevado grosor de estos electrodos. Este problema se solventó mediante la construcción de dispositivos de varias capas de plástico que finalmente se unen por laminación térmica. En primer lugar, se demostró la presencia del régimen laminar propio de los sistemas microfluídicos y que la corriente amperométrica límite sigue el modelo de Levich. Finalmente, para poner de manifiesto la versatilidad y el potencial de esta técnica, se diseñaron dispositivos microfluídicos de doble canal con sendas células electroquímicas integradas para llevar a cabo ensayos simultáneos e independientes de capacidad antioxidante.
En un segundo bloque, se optó por emplear impresión 3D, más concretamente fabricación por filamento fundido, como un avance tecnológico para la fabricación de estos dispositivos debido a que permite la automatización del proceso y permite de forma secuencial la fabricación de la microfluídica, la deposición de los electrodos y el ensamblaje del dispositivo final. En primer lugar, se estudió la construcción de los dispositivos electroquímicos microfluídicos y distintos métodos (electro)químicos de activación para los electrodos de carbono impresos 3D que no poseen prestaciones electroquímicas idóneas recién impresos. Se demostró que la activación mediante voltamperometría cíclica en medio alcalino daba los mejores resultados y seguía el modelo de Levich. Estos dispositivos se emplearon para la determinación de dopamina en medio celular fortificado. Posteriormente, y aprovechando la funcionalidad de impresión-pausa-impresión de la impresión en 3D se propuso una fabricación alternativa de los dispositivos electroquímicos microfluídicos para evitar la activación tras la impresión de los electrodos. Para ello, tras depositar los electrodos impresos en 3D se pausó la impresión y se modificaron secuencialmente con tintas conductoras de carbono (electrodo de trabajo y auxiliar) y Ag/AgCl (electrodo de referencia), con Prussian Blue mediante electrodeposición y drop-casting, y finalmente con glucosa oxidasa para construir un biosensor amperométrico de glucosa de primera generación. Finalmente, se exploró el método de arco eléctrico para la activación de electrodos impresos en 3D de forma automática y que ulteriormente puede ser integrado en el flujo de trabajo de la impresión 3D. Mediante esta técnica se depositan nanoestructuras de carbono en los electrodos provenientes de grafito mediante la aplicación de voltajes elevados (~1 kV DC). La modificación de estos electrodos se caracterizó tanto morfológica como espectroscópicamente y su desempeño electroquímico se estudió en función del número de capas de electrodo impresas. Los electrodos con mejor desempeño electroquímico se empelaron para la determinación voltamperométrica simultánea de dopamina y serotonina en medio celular fortificado.
Por todo ello, en esta Tesis Doctoral se ha demostrado que las técnicas de prototipado rápido constituyen una herramienta con enorme potencial para el desarrollo de sistemas microfluídicos electroquímicos con elevadas prestaciones analíticas. |
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