Bismuth based (nano)materials and platforms for (bio)sensing

Abstract

La tesi està basada en la fabricació de nous sensors i biosensors per a la detecció de contaminants. Els micro i nanomateials basats en bismut semblen ser materials molt apropiats per aconseguir aquest objectiu, tanmateix també s’han proposat altres plataformes sensores. En el primer capítol es descriuen detalladament els principals objectius d’aquesta tesi. La introducció d’aquesta tesi descriu les aplicacions més recents i rellevants basades en la utilització de nanomaterials de bismut, com ara en els camps de la medicina, la fotodegradació de contaminants orgànics, la cosmètica, els pigments o els aliatges. Aquesta part precedeix la descripció dels mètodes de síntesi més innovadors, dels sensors més eficients, bàsicament de metalls pesants, i de les aplicacions en el camp dels biosensors. Aquest recull es pot trobar al capítol 2. Les nanopartícules de bismut són una bona plataforma per a sensors i biosensors. En aquest sentit s’ha estudiat la modificació d’elèctrodes serigrafiats amb nanopartícules de bismut. En el capítol 3, s’avaluen diferents mètodes de síntesi de nanopartícules de bismut amb l’objectiu d’obtenir les nanopartícules més eficients en la detecció de metalls pesants; en aquest cas centrat en la detecció de cadmi i plom. Al capítol 4 es presenta una nova estratègia de modificació d’elèctrodes. Aquesta estratègia es basa en la utilització de nanopartícules core-shell. Tenint en compte l’avantatge que dóna el recobriment de bismut, aquestes nanopartícules s’han utilitzat en la detecció de metalls pesants en diferents plataformes sensores. La bona modificació d’aquests elèctrodes es demostra clarament fent cicles de modificat i neteja; el comportament d’aquests elèctrodes modificat es podria considerar com a una resposta digital. L’última plataforma sensora per a metalls pesants proposada es basa en xips de paper. El capítol 5 descriu la fabricació i optimització d’aquests dispositius. Aprofitant la capacitat de filtrar del substrat de paper de filtre, aquestes simples plataformes són capaces de detectar plom i cadmi en diferents matrius, com ara solució tampó, aigua de mar o fangs. En aquest últim capítol es mostra la integració de les nanopartícules de bismut en un biosensor de fenol, basat en l’activitat enzimàtica de la tirosinasa. El capítol 6 inclou la caracterització morfològica i electroquímica del sensor. Aquests elèctrodes modificats amb nanopartícules de bismut i tirosinasa tenen una molt bona resposta en la detecció de fenol i catecol i un baix efecte de les interferències. Finalment al capítol 7 hi ha les conclusions generals i les futures perspectives que obre aquest treball. En els annexos s’hi pot trobar una descripció dels mètodes de fabricació de les diferents plataformes sensores, les abreviatures utilitzades i la producció científica derivada d’aquest treball.

The thesis is focused on the fabrication of new sensing and biosensing platforms for pollutants detection. Although bismuth-based micro and nanomaterials seem to be the appropriated materials to achieve this objective nevertheless new platforms including for example those based on paper are also proposed. In the first chapter the main objectives of this thesis are described in detail. The introduction part (chapter 2) of this thesis is dedicated to the revision of the recent reports / achievements on bismuth-based nanomaterials in different application fields that include medicine, photodegradation of organic pollutants, cosmetics, pigments and alloys. An important section of this part is focused on the description of the effect of bismuth-based materials in heavy metals and biosensing applications. Bismuth nanoparticles are found as an innovative material in heavy metals sensing and biosensing applications. A study on the effect of the modification of screen-printed electrodes with bismuth nanoparticles and its use for the heavy metal detection is shown (chapter 3). Different modifications of polyol based bismuth nanoparticles synthesis have been evaluated in aim to obtain the more efficient nanoparticles with interest in heavy metal sensing. In addition the results obtained for the detection of lead and cadmium is also shown in the same chapter. In the chapter 4 a new electrode modification strategy is presented. This new strategy is based on the use of magnetic core/shell bismuth nanoparticles. Taking advantages of the bismuth oxide presence onto the shell of these nanoparticles, heavy metal detection in different On-Off sensing platforms is shown. The modification of electrodes is clearly demonstrated by doing cycles with both modification and cleaning of the electrodes obtaining a kind of digital (On-Off) response of heavy metals. To solve sampling and sample pretreatment issues a heavy metal sensing platform that uses a paper-based lateral flow chip is also developed and described at chapter 5. Fabrication and the optimization of this new heavy metal sensor are shown; it takes advantage of the use of a filter paper substrate. This new platform is capable to detect lead and cadmium in different matrixes including mud. In the last chapter (chapter 6), the integration of bismuth nanoparticles into a phenol biosensing system is shown. It takes advantages of the use of tyrosinase enzyme which brings certain selectivity in phenolic compounds detection. Morphological and electrochemical characterizations of the developed biosensor also are shown in this chapter. The developed biosensor shows good performance in catechol detection. Finally in the chapter 7 the general conclusions and some future perspectives are given.