Design and development of a self-powered electrochromic biosensor

Abstract

Las tendencias actuales en química analítica buscan desarrollar dispositivos de sensado más sencillos y con un coste más asequible. El uso de materiales electrocrómicos permite la fabricación de sensores electroquímicos que utilizan el cambio de color como medio para reducir la instrumentación requerida. Aunque muchos compuestos químicos usados en electroanálisis exhiben propiedades electrocrómicas, la inclusión de este tipo de materiales en la fabricación de sensores analíticos electrocrómicos está todavía en una fase muy inicial. Esta tesis se centra en el desarrollo de un nuevo tipo de dispositivos analíticos basados en el uso de materiales electrocrómicos, lo que reduce al mínimo los componentes requeridos y elimina la necesidad de usar electrónicas basadas en silicio. Primero se presenta el principio de funcionamiento de los sensores electrocrómicos autoalimentados, demostrando cómo con la geometría apropiada es posible obtener una plataforma de sensado capaz de proporcionar una lectura cuantitativa de la concentración del analito. Los datos experimentales obtenidos se combinaron con el uso de simulaciones matemáticas para desarrollar un modelo numérico que permite tener un mayor conocimiento del comportamiento del dispositivo. Además, las simulaciones se han utilizado como herramienta de diseño para mejorar el rendimiento de futuros dispositivos electrocrómicos. También se formularon nuevos materiales en forma de pastas para serigrafía que permiten substituir ciertos componentes del dispositivo tales como el material electrocrómico o el electrolito. Estos materiales han sido utilizados en la última parte de la tesis para fabricar un sensor electrocrómico totalmente impreso capaz de proveer resultados cuantitativos sin la ayuda de un dispositivo externo de lectura.

Current trends in analytical chemistry aim at developing simpler and more affordable sensing devices. Electrochromic materials enable the fabrication of electrochemical sensors that exploit colour changes as a means to reduce instrumentation requirements. Although many chemical compounds used in electroanalysis exhibit electrochromic properties, the inclusion of these materials in the construction of electrochromic analytical sensors has begun to emerge only recently.

This thesis focuses on the development of a new type of analytical devices relying on the use of electrochromic materials, reducing to a minimum the required components, and removing the need for silicon-based electronics.

First, the working principle of self-powered electrochromic sensors is presented, demonstrating how with the appropriate geometry it is possible to obtain a sensing platform capable of providing a quantitative readout of the analyte concentration. The experimental data obtained are combined with the use of numerical simulations to develop a mathematical model that helps to have a further understanding of the behaviour of the device. Moreover, these simulations were used as a design tool to improve the performance of future electrochromic devices.

New materials in the form of screen-printing pastes have also been formulated to substitute certain components of the device such as the electrochromic material or the electrolyte. These materials were used in the last part of the thesis to manufacture a fully printed electrochromic sensor able to provide quantitative results without the aid of an external signaling device.