Design and Rapid Prototyping of Graphene-based Electrodes Fabricated by Direct Writing for Electrochemical Biosensing towards Point-of-Care Testing

Abstract

La contaminació ambiental, la contaminació alimentària i les pandèmies (ex. COVID-19) requereixen estratègies fiables per la detecció anticipada d’anàlits. El diagnòstic ràpid de malalties i contaminants, i la supervisió exacta i precís dels seus canvis amb el temps són de gran importància. En aquest sentit, els sensors electroquímics són d’interès particular a causa del seu baix cost, alta sensibilitat i facilitat d’ús. Els materials basats en grafè, amb les seves propietats úniques com la gran superfície d’àrea i biocompatibilitat, tenen un gran potencial per aplicacions de biodetecció. No obstant això, la producció d’elèctrodes de grafè és normalment lenta, cara i ineficient. Hi ha per tant una tendència en la comunitat de recerca a desenvolupar mètodes de fabricació de grafé a baix cost i gran escala. A més a més, el desenvolupament d’aplicacions pel món real fiables, assequibles i sensibles encara ha de trobar un ampli èxit. Aquesta tesi adreça els problemes esmentats sobre els elèctrodes de grafè, proposant mètodes de fabricació d’elèctrodes sense màscares, sense contacte i a baix cost, i.e. l’escriptura directa (la impressió per injecció de tinta i l’escriptura directa amb làser), permetent la miniaturització de l’electrode i de la plataforma de biodetecció.

Inicialment, l’investigador es va endinsar en els límits de la impressió per injecció de tinta fabricant microelèctrodes d’òxid de grafè reduït després d’un estudi comparatiu entre impressores d’injecció de tinta comercial i de qualitat de recerca. Fent servir les impressores amb qualitat de recerca, microcables de 78 μ;m d’amplada van ser impresos i funcionalitzats per la detecció de la micotoxina HT-2. Un baix LOD de 1.6 ng/mL i un rang linear dinàmic entre 6.3-100 ng/mL van ser aconseguits amb el sistema de detecció.

Llavors, elèctrodes d’òxid de grafè reduït van ser fabricats a gran escala i baix preu per escriptura directa amb làser combinada amb impressió d’injecció de tinta i un procés de transferència de segell. Basant-se en aquests elèctrodes, es van desenvolupar biosensors per la detecció de Escherichia coli amb un ampli rang dinàmic (917 - 2.1×E7 CFU/mL) i un baix LOD (283 CFU/mL). L’assaig va ser validat en orina artificial modificada, i el sensor va ser integrat en un sistema sense cables portàtil conduït i mesurat per un telèfon intel·ligent.

Aquests treballs han demostrat el potencial dels biosensors basats en elèctrodes de grafè per escriptura directa pel món real, les aplicacions al punt-de-cura i que poden ser modificats per la detecció d’altres bacteris o biomarcadors reemplaçant els bioreceptors apropiats.

La contaminación ambiental, la contaminación alimenticia y las pandemias (ej. COVID-19) requieren estrategias fiables para la detección anticipada de analitos. El diagnóstico rápido de enfermedades y contaminantes, y la supervisión exacta y precisa de sus cambios en el tiempo, son de gran importancia. En este sentido, los sensores electroquímicos son de especial interés debido a su bajo coste, alta sensibilidad y sencillez de uso. Los materiales basados en grafeno, con sus propiedades únicas como la gran superficie de área y biocompatibilidad, tienen un gran potencial en aplicaciones de biosensado. No obstante, la producción de electrodos de grafeno es normalmente lenta, cara e ineficiente. Hay por lo tanto una tendencia en la comunidad de investigación a desarrollar métodos de fabricación de grafeno a bajo coste y a gran escala. Además, el desarrollo de aplicaciones para el mundo real fiables, asequibles y sensibles todavía ha de encontrar un triunfo amplio. Esta tesis abarca los problemas mencionados sobre los electrodos de grafeno, proponiendo métodos de fabricación de electrodos sin máscaras, sin contacto y a bajo coste, i.e. la escritura directa (la impresión por inyección de tinta y la escritura directa con láser), permitiendo la miniaturización del electrodo y de la plataforma de biosensado.

Inicialmente, el investigador se adentró en los limites de la impresión por inyección de tinta fabricando microelectrodos de óxido de grafeno reducido después de un estudio comparativo entre impresoras de inyección de tinta comercial y con calidad de investigación. Utilizando las de calidad de investigación, microcables de 78 μ;m de ancho fueron impresos y funcionalizados para la detección de la micotoxina HT-2. Un bajo LOD de 1.6 ng/mL i un rango linear dinámico entre 6.3-100 ng/mL fueron conseguidos con el sistema de detección.

Entonces, electrodos de óxido de grafeno reducido fueron fabricados a baja escala i con bajo coste mediante escritura directa con laser combinada con impresión por inyección de tinta i un proceso de estampado por transferencia. Basándose en estos electrodos, se desarrollaron biosensores para la detección de Escherichia coli con un amplio rango dinámico (917 - 2.1×E7CFU/mL) y un bajo LOD (283 CFU/mL). El ensayo se valido en orina artificial modificada, y el sensor fue integrado en un sistema sin cables portátil y medido mediante un teléfono inteligente.

Estos trabajos han demostrado el potencial de los biosensores basados en electrodos de grafeno por escritura directa para el mundo real, las aplicaciones en el punto de cuidado y que pueden ser modificados para la detección de otras bacterias o biomarcadores reemplazando los bioreceptores adecuados.

Environmental pollution, food contamination and pandemics (e.g., COVID-19), require reliable strategies for the early detection of analytes. The rapid diagnostic of diseases and contaminants, and the accurate and precise monitoring of their changes over time are of great importance. In this sense, electrochemical biosensors are of particular interest due to their low cost, high sensitivity, and ease of miniaturization. Graphene-based materials, with their unique properties such as high surface area and biocompatibility, have great potential for biosensing applications. However, the production of graphene electrodes is typically slow, expensive and inefficient. There is therefore a drive within the research community to develop low-cost, large-scale graphene fabrication methods. Moreover, the development of reliable, affordable, sensitive devices for real-world applications has yet to find broad success. This thesis addresses the aforementioned issues about graphene electrodes, proposing a maskless, non-contact, low-cost graphene electrode fabrication method, i.e., the direct writing (inkjet printing and direct laser scribing), allowing for the miniaturization of the electrode and sensing platform. Initially, the researcher approached the limits of inkjet printing by fabricating reduced graphene oxide microelectrodes after a comparative study between commercial and research-grade inkjet printers. Using the research-grade inkjet printer, 78 μ;m wide graphene microwires were printed and functionalized for the detection of HT-2 mycotoxin. A low LOD of 1.6 ng/mL and a linear dynamic range of 6.3-100 ng/mL were achieved with the sensing system. Then, reduced graphene oxide electrodes were fabricated on large scale and at low cost by direct laser scribing combined with inkjet printing and a stamp transfer process. Based on such electrodes, biosensors were developed for the detection of Escherichia coli with a wide dynamic range (917 - 2.1×E7 CFU/mL) and a low LOD (283 CFU/mL). The assay was validated in spiked artificial urine, and the sensor was integrated into a portable wireless system driven and measured by a smartphone. These works demonstrated the potential of biosensors based on the direct-written graphene electrodes for real-world, point-of-care applications and could be modified for other bacteria or biomarker detection by replacing appropriate bioreceptors.