Design and fabrication of miniaturised electroanalytical systems

Abstract

La miniaturització de dispositius és sens dubte un procés més complex que la simple reducció de les seves mides. Aquesta tesi es centra en la miniaturització de dispositius d'electroanàlisis basats en detecció amperomètrica. Des del punt de vista de la detecció, la definició més acceptada de microelèctrode el defineix com un elèctrode pel qual una de les seves dimensions és inferior a la capa de difusió. En aquests cassos, la contribució de la difusió radial al perímetre del microelèctrode té un pes molt important en el valor del corrent global. Des del punt de vista de la integració, la reducció de la mida dels dispositius i la seva integració en sistemes microfluídics comporta una sèrie d'avantatges com: portabilitat, fiabilitats, reducció del consum de volum de la mostra i de reactius, així com l'automatització de l'anàlisi. Aquesta tesi s'ha centrat en dos objectius fonamentals: l'estudi i l'optimització de la detecció utilitzant models basats en elements finits, així com la integració dels detectors en sistemes microfluídics. Primer es van realitzar models sobre tècniques amperomètriques bàsiques, simulant tant el cas de macroelèctrode com el de microelèctrode. Una vegada capaços de modelar aquestes tècniques, els models van ser aplicats a la predicció del comportament de dispositius reals. El primer dispositiu modelat va ser un microrespiròmetre. Utilitzant simulacions, hem estat capaços d'extreure informació metabòlica d'un biofilm en aquest complicat sistema, on va ser necessari el càlcul de paràmetres de transport de l'oxigen a través de les diferents capes de materials que composaven el mateix. Més tard, el coneixement acumulat en el modelatge de matrius de microelèctrodes va ser aplicat al modelatge de matrius de nanoelèctrodes, els quals són un pas natural en el procés de miniaturització. En aquest cas, van ser necessaris models en tres dimensions per tal de descriure el procés de transport de matèria, ja que la contribució de la difusió radial, prèviament mencionada, és encara més important i fa impossible la reducció dels models a dues dimensions. A l'última part de la tesi, es van integrar microelèctrodes en sistemes microfluídics. En aquests dispositius es van combinar l'ús de partícules magnètiques amb detecció electroquímica, sent possible desenvolupar dispositius aplicables a un ampli rang de bioassajos. Els dispositius van ser fabricats utilitzant tècniques de prototipatge ràpid en polímers. L'objectiu era crear un sistema versàtil de fàcil ús al laboratori, així com de fàcil modificació, que pugui ser modificat en funció de les demandes de les diferents aplicacions. Aquest sistema va ser posteriorment optimitzat incloent una microvàlvula. Gràcies a l'ús d'aquest component actiu és possible minimitzar un dels problemes més importants en l'electroquímica, com és el deteriorament de la superfície dels elèctrodes. A més a més, és possible integrar i realitzar processos de biofuncionalització en el mateix dispositiu, ja que la càmera de detecció es manté en tot moment independent de la resta del sistema. Un dels reptes de l'esmentada integració d'aquesta vàlvula va ser la seva fabricació utilitzant els mateixos materials i els mateixos processos de prototipatge que la resta del microdispositiu.