Paper-based potentiometric platforms for decentralised chemical analysis

Abstract

En les darreres dècades, el món ha experimentat profunds canvis socials i tecnològics. Entre aquests, són destacables les tendències emergents d’anàlisis descentralitzats i de xarxes de sensors, que estan tenint un gran impacte en moltes àrees, especialment en el sistema sanitari. El desenvolupament d’eines per a realitzar anàlisis fora del laboratori de forma robusta, simple i econòmica, serà de gran ajuda per generar, per exemple, eines de diagnòstic assequibles. Per complementar aquestes tendències, aquesta tesis presenta el desenvolupament d’una eina analítica nova per anàlisis descentralitzats, usant paper modificat amb nanotubs de carboni com a substrat i la potenciometria com a tècnica de detecció. Els nanotubs de carboni s’han incorporat amb èxit sobre un paper de filtre convencional, convertint-lo així en conductor, i proporciona’t-li habilitat transductora ió-electró. Amb aquesta plataforma s’han desenvolupat elèctrodes selectius de ions per a diferents ions –mantenint el mateix rendiment analític que els elèctrodes convencionals- així com també un elèctrode de referència. La demostració de que aquesta plataforma pot solucionar un problema analític s’ha dut a terme a través del desenvolupament d’una cel·la potenciomètrica complerta de paper per a la detecció de liti en sang. Aquests elèctrodes també han estat combinats amb èxit amb un potenciòmetre d’identificació per radiofreqüència (RFID), cosa que permet el seu ús de forma descentralitzada. Altres aplicacions possibles, juntament amb les limitacions del sistema es discuteixen en detall. En definitiva, aquest treball obre la possibilitat de substituir sensors convencionals per aquesta plataforma més econòmica, obrint així tota una nova gama d’oportunitats.

En las últimas décadas, el mundo ha experimentado profundos cambios sociales y tecnológicos. Entre los cuáles son destacables las tendencias emergentes de análisis descentralizados y de redes de sensores, que tienen un gran impacto en muchas áreas, especialmente en el sistema sanitario. El desarrollo de herramientas para realizar análisis fuera del laboratorio de forma robusta, simple i económica, será de gran ayuda per generar, para generar, herramientas de diagnóstico asequibles. Para complementar estas tendencias, esta tesis presenta el desarrollo de una herramienta analítica nueva para análisis descentralizados, usando papel modificado con nanotubos de carbono como sustrato y la potenciometría como técnica de detección. Los nanotubos de carbono se han incorporado con éxito sobre un papel de filtro convencional, convirtiéndolo así en conductor, y proporcionándole habilidad transductora ion-electrón. Con esta plataforma se han desarrollado electrodos selectivos de iones para distintos iones manteniendo el mismo rendimiento analítico que los electrodos convencionales- así como también un electrodo de referencia. La demostración de que esta plataforma puede solucionar un problema analítico se ha hecho a través del desarrollo de una celda potenciométrica completa de papel para la detección de liti en sangre. Estos electrodos también se han combinado con éxito con un potenciómetro de identificación por radiofrecuencia (RFID), cosa que permite su uso de forma descentralizada. Otras aplicaciones posibles, junto con las limitaciones sistema se discuten en detalle. En definitiva, este trabajo abre la posibilidad de substituir los sensores convencionales por esta plataforma más económica, abriendo así tota una nueva gama de oportunidades.

During the last decades, the world has undergone deep social and technological changes. Remarkably are the emerging trends of decentralised analysis and sensing networks, which are having a deep impact in many areas, especially in the healthcare system. The development of tools for performing measurements out of the lab in a robust, simple and cost-effective way will be of great help to generate, for example, affordable diagnostic tools. To complement this trends, this thesis presents the development of a novel analytical tool for decentralised measurements, by using paper as a substrate modified with carbon nanotubes (CNT), and potentiometry as detection approach. CNTs have been successfully incorporated over a conventional filter paper making it conductive, and giving to it ion-to-electron transduction capability. Over this platform ion-selective electrodes for different ions have been developed –keeping the same analytical performance as conventional electrodes- as well as a reference electrode. The demonstration that this platform can solve an analytical problem has been proved through the development of a complete paper cell for the detection of lithium in blood. This electrodes have been also combined with a radio frequency identification (RFID) potentiometer, which will allows its use in a decentralised way. Other possible application of this platform together with its limitations are also discussed. All in all, this work opens the possibility to substitute conventional sensors for this low-cost paper sensors, thus unlocking a whole new range of possibilities.