Miniaturización de analizadores químicos mediante la tecnología LTCC

Abstract

Los componentes miniaturizados son una realidad que nos acompaña y facilita nuestro día a día de una manera sutil. El ejemplo más claro es los avances en la microelectrónica que han permitido el desarrollo tanto de la electrónica de consumo como de las nuevas tecnologías de la información. Esta tendencia, sin embargo, también se ha hecho evidente en otras áreas del conocimiento como son la biología, la medicina o la química. En el campo de la química, y sobretodo a partir de los años 90, se ha realizado un gran esfuerzo científico para obtener dispositivos a microescala que nos permitan llevar a cabo los análisis de ciertos parámetros de interés, como por ejemplo sustancias contaminantes del medio ambiente. El uso de microanalizadores aporta un alto número de ventajas, como son la facilidad de producción a gran escala (con la consiguiente reducción de costes), bajo consumo de reactivos utilizados, bajo volumen de residuos generados (debido a las pequeñas dimensiones del dispositivo), tiempo de análisis cortos, así como la portabilidad, que permite al usuario realizar análisis in-situ en lugares donde difícilmente se podría colocar un equipo de grandes dimensiones y obtener la información en tiempo real.<br/>Son diversas las técnicas y los materiales utilizados para llevar a cabo la miniaturización de los sistemas de análisis químicos. El silicio y el vidrio han sido, sin duda, los materiales más utilizados con esta finalidad, no sólo debido a sus adecuadas propiedades físico-químicas, sino también al alto grado de desarrollo que han adquirido sus tecnologías asociadas. En los últimos tiempos, sin embargo, los polímeros han tomado el relevo como material para la microfabricación debido, especialmente, a su bajo coste.<br/>Con el objetivo de superar determinadas limitaciones encontradas tanto en los materiales clásicos como en sus tecnologías asociadas, en esta tesis se ha apostado por el uso de una tecnología alternativa denominada LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) o de cerámicas verdes. El uso de estos materiales nos aporta una gran versatilidad a la hora de diseñar y construir los analizadores miniaturizados. En primer lugar, los dispositivos se pueden fabricar sin necesidad de trabajar en condiciones de laboratorio estrictamente controladas, como por ejemplo salas blancas, o con personal altamente cualificado. Se pueden utilizar tanto microfresadoras como equipos láser y el proceso de prototipado es muy corto. Adicionalmente, la metodología multicapa permite diseñar con mucha facilidad dispositivo con complejas estructuras tridimensionales. Esto simplifica extraordinariamente la miniaturización e integración de las diferentes etapas de pretratamiento de la muestra (mezcla de reactivos, separación, preconcentración, etc.) que son necesarias para llevar a cabo determinados análisis, así como la integración monolítica de los sistemas de detección.<br/>En esta tesis se presenta una nueva metodología general de fabricación de sistemas de análisis miniaturizados que hemos aplicado al diseño de microanalizadores medioambientales para el control de la calidad del agua tanto de ríos como de redes de distribución de agua potable. Gracias a su versatilidad, la nueva metodología de fabricación ha permitido integrar diferentes tipos de detectores como los electroquímicos (potenciométricos y amperométricos) u ópticos (espectrofotométricos y luminiscentes). Así, se han construidos microanalizadores para parámetros como los iones amonio, nitrato, nitrito y fosfato que son claves para la monitorización de los procesos de eutrofización. En la actualidad, haciendo uso de esta tecnología, también se han desarrollado dispositivos para la determinación de microcontaminantes orgánicos persistentes.

Miniaturized components are a nearby reality that facilitates our daily life in a subtle way. One of the clearest examples is the advances suffered in microelectronics that have permitted the development of both the day by day and the new information technologies electronics. This tendency has also been observed in other knowledge areas, such us biology, medicine or chemistry. In this last field, especially from the nineties, a great scientific effort has been carried out in order to obtain microdevices that could allow us to perform analysis of certain environmental pollutant parameters. The use of microanalyzers provides a high number of advantages. Among them: easy mass production (as a result, costs reduction), low consumption of reagents, low volumes of waste products (due to the small dimensions of the constructed devices), short analysis times and portability. This last characteristic enables the user to carry out in-situ and in-time analysis in places where it would not be possible to place standard equipments, due to their higher dimensions.<br/>Silicon and glass have been the most widely used materials with miniaturization purposes, not only due to their appropriate physical and chemical properties, but also to the degree of development of their associated technologies. In the last years, however, polymers are becoming a good alternative due to, especially, their low cost.<br/>To avoid some limitations found both in the materials and in their technologies, in this thesis we have emphasize on the use of an alternative technology known as LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) or green tapes technology. The use of these materials provides us a great versatility to construct miniaturized analyzers. Firstly, the devices can be fabricated without the need of special working conditions, such as clean rooms or specialized staff. Ceramics can be mechanized by means of a simple CNC (Computer Numerically Controlled) equipment or a laser, being the prototyping process very short. Additionally, the multilayer methodology enables the design of complex three-dimensional structures in an easy way. This simplifies extraordinarily the miniaturization and integration of several sample pretreatment steps (mixing reagents, separation, preconcentration, etc.), which are needed to carry out some analysis, as well as the monolithic integration of the detection systems.<br/>In this thesis, a new general fabrication methodology to construct miniaturized analysis systems is presented. The procedure has been put into practice by means of the design of environmental microanalyzers to control the water quality in rivers and drinking waters. Thanks to its versatility, the new fabrication methodology has permitted to integrate different detection systems, such as electrochemical (potentiometric and amperometric) and optical (spectrophotometric and luminiscent). Thus, we have designed, developed and evaluated microanalyzers to determine parameters such as, ammonium, nitrate, nitrite and phosphate ions, which are key components in eutrophication processes. Nowadays, taking advantage of the LTCC technology, we have also developed devices to determine persistent organic micropollutants.