Progresses in new carbon platforms: graphene and carbon dots

Abstract

En els últims anys s’han desenvolupat diferents estratègies per l’anàlisi eficaç i ràpid de múltiples mostres. Per tal de millorar les propostes actuals, els investigadors tracten el problema des de diferents punts de vista. Dos exemples són els que s’han seguit en la present tesi doctoral, la integració de nous materials que confereixen propietats úniques als sensors, i l’ús d’eines matemàtiques avançades. Concretament, en aquest projecte s’ha inclòs en sensors voltamètrics, no només nous nanomaterials com el grafè i els punts de carboni, sinó també biomolècules com els enzims. A posteriori, aquests sensors s’han aplicat en el marc de les llengües electròniques, una tàctica que consisteix en l’ús de la quimiometria per tal d’obtenir models qualitatius o quantitatius. Per tant, aquesta investigació uneix diferents camps de la química com són la ciència dels nanomaterials, l’ús de sensors electroquímics, i finalment la quimiometria amb l’objectiu de millorar i, doncs, superar, problemes presentats en mètodes d’un caire més clàssic. El treball es divideix en dues seccions, primer se centra en l’ús del grafè, i després en la integració de punts de carboni, i punts de carboni modificats com a material clau en les plataformes de sensat. En el primer cas, el grafè, concretament l’òxid de grafè reduït electroquímicament s’ha dipositat en un elèctrode construït en base d’un compòsit de grafit i resina epòxid. Un cop caracteritzat l’elèctrode aquest s’utilitza per a la resolució d’una mescla complexa d’àcid ascòrbic, àcid úric, serotonina i dopamina. En aquest cas, s’aconsegueix la resolució de la mescla i la quantificació de no només la serotonina i la dopamina, sinó també dels seus dos interferents. Un cop establert aquest elèctrode, es fa ús de la mateixa com a base de la creació de dos biosensors enzimàtics, utilitzant com a element de reconeixement la lacasa i la tirosinasa. Amb el biosensor de lacasa es presenta un estudi de la cinètica de l’enzim, la qual s’usa per a la detecció indirecta de contaminants emergents. Finalment, s’inclouen els dos biosensors, juntament amb la plataforma de grafè, en el conjunt d’elèctrodes per l’anàlisi multivariable del caràcter Brett en vi rosat. Per altra banda, es presenta un primer treball basat en la incorporació dels punts de carboni i els punts de carboni modificats amb N i S, per separat, en elèctrodes de carboni vitri. En aquest treball es mostra una primera provatura de l’ús dels punts de carboni com a catalitzadors electroquímics. Els quals en treballs futurs presenten característiques ideals per ser emprats com a modificadors per elèctrodes en el marc de les llengües electròniques.

En los últimos años se han desarrollado distintas estrategias para el análisis eficaz y rápido de múltiples muestras. Para mejorar las propuestas actuales, los investigadores tratan el problema desde distintos puntos de vista. Dos ejemplos son los que se han seguido en la presente tesis doctoral, la integración de nuevos materiales que confieren propiedades únicas a los sensores y el uso de herramientas matemáticas avanzadas. Concretamente, en este proyecto se ha incluido en sensores voltamétricos, no sólo nuevos nanomateriales como el grafeno y los puntos de carbono, sino también biomoléculas como las enzimas. A posteriori estos sensores se han aplicado en el marco de las lenguas electrónicas, una táctica que consiste en el uso de la quimiometría para obtener modelos cualitativos o cuantitativos. Por tanto, esta investigación une diferentes campos de la química como son la ciencia de los nanomateriales, el uso de sensores electroquímicos, y finalmente la quimiometría con el objetivo de mejorar y, pues, superar, problemas presentados en métodos más clásico. El trabajo se divide en dos secciones, primero se centra en el uso del grafeno, y después en la integración de puntos de carbono, y puntos de carbono modificados como material clave en las plataformas de sensato. En el primer caso, el grafeno, concretamente el óxido de grafeno reducido electroquímicamente se ha depositado en un electrodo construido en base a un composite de grafito y resina epóxido. Una vez caracterizado el electrodo éste se utiliza para la resolución de una mezcla compleja de ácido ascórbico, ácido úrico, serotonina y dopamina. En este caso, se logra la resolución de la mezcla y la cuantificación de no sólo la serotonina y la dopamina, sino también de sus dos interferentes. Una vez establecido el protocolo para la modificación del electrodo, se hace uso de este como base de la creación de dos biosensores enzimáticos, utilizando como elemento de reconocimiento la lacasa y la tirosinasa. Con el biosensor de lacasa se presenta un estudio de la cinética de la enzima, que se usa para la detección indirecta de contaminantes emergentes. Por último, se incluyen los dos biosensores, junto con la plataforma de grafeno, en el conjunto de electrodos por el análisis multivariable del carácter Brett en vino rosado. Por otro lado, se presenta un primer trabajo basado en la incorporación de los puntos de carbono y los puntos de carbono modificados con N y S, por separado, en electrodos de carbono vítreo. En este trabajo se muestra una primera probatura del uso de los puntos de carbono como catalizadores electroquímicos. Los que en trabajos futuros presentan características ideales para ser empleados como modificadores por electrodos en el marco de las lenguas electrónicas.

In the last few years, different strategies have been developed for the efficient and rapid analysis of numerous samples. In order to improve the current proposals, researchers address the problem from different points of view. Two examples are those that have been followed in this doctoral thesis, the integration of new materials that confer unique properties to the sensors and the use of advanced mathematical tools. Specifically, this project has included in the voltametric sensors, not only new nanomaterials such as graphene and carbon dots, but also biomolecules such as enzymes. A posteriori these sensors have been applied in the framework of electronic tongues, a practice that consists in the use of chemometrics to obtain qualitative or quantitative models. Therefore, this research joins different fields of chemistry such as the science of nanomaterials, the use of electrochemical sensors, and finally, chemometrics, with the aim of improving and, therefore, overcoming problems presented in more classical methods. The work is divided into two sections, starting with the use of graphene, and then focusing on the integration of carbon dots and modified carbon dots as a key material in sensing platforms. In the first case, graphene, specifically electrochemically reduced graphene oxide has been deposited on an electrode constructed based on a composite of graphite and epoxide resin. Once the electrode is characterized, it is used for the resolution of a complex mixture of ascorbic acid, uric acid, serotonin, and dopamine. In this case, resolution of the mixture and quantification of not only serotonin and dopamine, but also of their two interferents is achieved. Once this electrode is established, it is used as the basis for the creation of two enzymatic biosensors, using laccase and tyrosinase as recognition elements. With the house biosensor, a study of the enzyme kinetics is presented, which is used for the indirect detection of emerging contaminants. Finally, the two biosensors, together with the graphene platform, are included in the electrode array for the multivariate analysis of Brett character in rosé wine. On the other hand, is presented a first work, based on the incorporation of carbon dots and carbon dots modified with N and S, separately. In this work a first test of the use of carbon dots as electrochemical catalysts is shown. This work shows a first attempt of the use of carbon dots as electrochemical catalysts, which present ideal characteristics to be used as electrode modifiers in the framework of electronic tongues.