Cost-effective electrochemical heavy metal sensors in environmental monitoring and healthcare: from in-situ monitoring to a wearable format

Abstract

L’anàlisi química convencional en la vigilància ambiental i l’atenció sanitària requereix procesos llargs i costosos. Les plataformes de detecció ràpides i de baix cost són necessàries i per això hi ha una gran demanda de sensors in situ. Els sensors electroquímics poden satisfer aquesta necessitat per la seva senzillesa, alta sensibilitat i portabilitat. A més, també cal millorar encara més les configuracions de detecció associades per fer-les més assequibles i compactes. Per tant, en aquesta tesi s’han desenvolupat tres plataformes de detecció electroquímica de baix cost que integren el mostratge, la detecció i la transmissió de dades en un sistema unificat, amb l’objectiu de detectar metalls pesants in situ per a la vigilància ambiental i sanitària. S’ha muntat un vaixell automàtic per tal d’investigar la distribució espacial dels metalls pesants. En aquest estudi, s’ha observat una interferència mútua com a problema obert, que després s’ha abordat mitjançant la modificació de l’elèctrode de detecció amb un derivat del grafè. Finalment, s’ha fabricat un sensor totalment imprès per a mesurar ions Cu2+ en suor artificial en un format vestible. Aquests sistemes econòmics de detecció electroquímica podrien alleujar la contaminació de metalls pesants i millorar el benestar en les regions amb recursos limitats.

El análisis químico convencional en la vigilancia del medio ambiente y la asistencia sanitaria requiere procesos lentos y costosos. Las plataformas de detección rápidas y de bajo coste son muy deseadas con una gran demanda de sensores in situ. Un sensor electroquímico puede satisfacer esta necesidad debido a su simplicidad, alta sensibilidad y portabilidad. Por otro lado, también es necesario mejorar las configuraciones de detección asociadas para hacerlas más asequibles y compactas. Por lo tanto, en esta tesis se han desarrollado tres plataformas de detección electroquímica de bajo coste que integran el muestreo, la detección y la transmisión de datos en un sistema unificado, con el objetivo de la detección in situ de metales pesados para la monitorización del medio ambiente y la asistencia sanitaria. Se ha instalado un bote automático de metales pesados con el objetivo de investigar la distribución espacial de los mismos. En este estudio, se ha observado que la interferencia mutua es un problema abierto, el cual ha sido cuestionado mediante la modificación del electrodo de detección con un derivado de grafeno. Por último, se ha fabricado un sensor de sudor totalmente impreso para medir los iones Cu2+ en el sudor artificial en un formato portátil. Estos sistemas de detección electroquímica rentables podrían aliviar la contaminación por metales pesados y mejorar el bienestar en regiones con recursos limitados.

Conventional chemical analysis in environmental monitoring and healthcare requires expensive and time-consuming processes. Low-cost and rapid sensing platforms are highly desired with a large demand for in-situ sensors. An electrochemical sensor can fulfill this need due to its simplicity, high sensitivity and portability. On the other hand, it is also necessary to further enhance the associated sensing setups to make them more affordable and compact. Therefore, this thesis developed three low-cost electrochemical sensing platforms that integrate sampling, sensing and data transmission in a unified system, with the aim of in-situ detection of heavy metals for environment monitoring and healthcare. An automatic heavy metal sensing boat was assembled aiming for investigating the spatial distribution of heavy metals. In this study, mutual interference as an open issue was observed, which was then challenged via modifying the sensing electrode with a graphene derivative. Lastly, an all-printed microfluidic sensor was fabricated to measure Cu2+ ions in artificial sweat in a wearable format. These cost-effective electrochemical sensing systems could alleviate the pollution of heavy metals and improve well-being in resource limited regions.