Diseño, construcción y evaluación de analizadores miniaturizados para su aplicación aeroespacial, medioambiental, alimentaria, biomédica e industrial

Abstract

La gran demanda de información en tiempo real, in situ y de calidad, para llevar a cabo el control y la monitorización de múltiples parámetros (bio)químicos en ámbitos como el aeroespacial, medioambiental, industrial, alimentario o biomédico, ha fomentado en los últimos años el desarrollo de instrumentación analítica con un alto nivel de integración, miniaturización y automatización. De esta manera, han aparecido los denominados microsistemas de análisis total (µTAS) o Lab-on-a-Chip (LOC). Así, el trabajo realizado en esta tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de microanalizadores automatizados, usando las tecnologías LTCC y de polímeros, para la determinación, mediante medidas potenciométricas y ópticas, de diversos parámetros químicos, en aplicaciones seleccionadas, donde la miniaturización es condición indispensable para poder abordar el problema. Para ello, se han diseñado, construido y evaluado microsistemas donde se han integrado diferentes operaciones unitarias del procedimiento analítico, imprescindibles para la realización de este. Así, en primer lugar se presentan tres dispositivos analíticos desarrollados en el marco de dos proyectos financiados por la Agencia Espacial Europea (ESA) con el objetivo de desarrollar analizadores para monitorizar el proceso de reciclado de agua, y la calidad de esta, en misiones espaciales tripuladas de larga duración. El primero de ellos es un microanalizador potenciométrico robusto, basado en la tecnología LTCC, para monitorizar simultáneamente la presencia de iones potasio y nitrato usando la técnica FIA. El microdispositivo integra, monolíticamente, la microfluídica y el sistema de detección, basado en dos ESIs de membrana polimérica, uno para potasio y otro para nitrato, y un electrodo de referencia de Ag/AgCl serigrafiado. El segundo de ellos, mejora las prestaciones del primero y consiste en un microanalizador, fabricado en COC, para la monitorización simultánea de iones potasio, cloruro y nitrato. Este nuevo dispositivo minimiza la interferencia de cloruro sobre el electrodo de nitrato y miniaturiza y automatiza el sistema de gestión de fluidos incorporando microbombas y microválvulas. El último de ellos es un microanalizador potenciométrico robusto y altamente selectivo fabricado en COC para la determinación de ión amonio. Este integra la microfluídica, un módulo de difusión gaseosa y el sistema de detección en un único sustrato monolítico. El módulo de difusión gaseosa lo compone una membrana hidrófoba de PVDF y el sistema de detección potenciométrico está formado por un electrodo selectivo de ión amonio de membrana polimérica y un electrodo de referencia de Ag/AgCl serigrafiado. También se ha aplicado este último dispositivo al análisis de amonio en muestras acuosas de diversa procedencia (agua de red de distribución y aguas residuales de EDARs, tanto urbanas como industriales) y en muestras de sangre y plasma de pacientes diagnosticados de desordenes en el ciclo de la urea. Otro de los microsistemas analíticos desarrollados, fabricado en COC, incorpora una etapa de difusión gaseosa para la determinación espectrofotométrica de CO2 utilizando un indicador ácido-base colorimétrico. El tamaño reducido del microsistema analítico, unido al tamaño reducido y a la simplicidad del sistema de detección, dotan al equipo global de una gran portabilidad. Se ha aplicado al análisis de CO2 en vino y cervezas y para la monitorización de la acidificación oceánica. Por último, se ha desarrollado un microsistema analítico autónomo y automatizado para la determinación espectrofotométrica de fosfato en aguas residuales. El microanalizador, fabricado en COC, integra un sistema de detección óptica miniaturizado y un sistema de gestión de fluidos automático que le dota de portabilidad y capacidad de funcionamiento autónomo. Todos los microsistemas desarrollados han mostrado unas características analíticas excelentes, cumpliendo los requisitos de las aplicaciones para las que fueron diseñados y demostrando la potencialidad de la miniaturización en los sistemas analíticos.

The high demand for real-time, on-site and quality information to monitor multiple (bio)chemical parameters in areas such as aerospace, environmental, industrial, food or biomedical has promoted the development of an analytical instrumentation with a high level of integration, miniaturization and automation. In this way, the so-called total analysis microsystems (μTAS) or Lab-on-a-Chip (LOC) have appeared. Thus, the main objective of this thesis is the development of automated microanalyzers, using LTCC and polymer technologies, for the determination, using potentiometric and optical measurements, of different chemical parameters in selected applications, where miniaturization is a must to address the problem. For this purpose, different analytical microsystems have been designed, constructed and evaluated where different essential unit operations to carry out the analytical procedure have been integrated. First of all, three analytical devices have been developed in the framework of two projects funded by the European Space Agency (ESA) with the aim of developing analyzers to monitor the water recycling process and its quality in long-term manned space missions. The first one is a robust potentiometric microanalyzer, based on LTCC technology, to simultaneously monitor the presence of potassium and nitrate ions using the FIA ​​technique. The microdevice monolithically integrates the microfluidics and the detection system, based on two ISEs, one for potassium and the other one for nitrate, and a screen-printed Ag/AgCl reference electrode. The second one improves the performance of the first device and consists of a microanalyzer, made of COC, for the simultaneous monitoring of potassium, chloride and nitrate ions. This new device minimizes the chloride interference on the nitrate electrode and miniaturizes and automates the fluid management system incorporating micropumps and microvalves. The last one is a robust and highly selective potentiometric microanalyzer fabricated in COC for the determination of ammonium ion. It integrates the microfluidics, a gas-diffusion module and the detection system into a single monolithic substrate. The gas-diffusion module is composed of a hydrophobic PVDF membrane and the potentiometric detection system consists of an ammonium ion selective electrode and a screen-printed Ag/AgCl reference electrode. The latter device has also been applied to the analysis of ammonia in aqueous samples of diverse origin (drinking water and wastewater from WWTPs, both urban and industrial) and in blood and plasma samples of patients diagnosed with disorders in the urea cycle. Another developed analytical microsystem, made of COC, incorporates a gas-diffusion step for the spectrophotometric determination of CO2 using a colorimetric acid-base indicator. The small size of the device, coupled with the reduced size and simplicity of the detection system, give a high portability to the overall system. It has been applied to CO2 analysis in wine and beers and for the monitoring of ocean acidification. Finally, an autonomous and automated analytical microsystem has been developed for spectrophotometric determination of phosphate in wastewater. The microanalyzer, made of COC, integrates a miniaturized optical detection system and an automatic fluid management system that give it portability and autonomous operation capacity. All microsystems developed have shown excellent analytical features, fulfilling the requirements of the applications for which they were designed and demonstrating the potential of miniaturization in analytical systems.